报告题目:

多生物墨水混合挤出喷头的优化设计及精准成型工艺研究

报告人:

魏庆华

所在单位:

西北工业大学

报告人简介:

魏庆华，工学博士，研究员/博士生导师，入选西北工业大学“翱翔新星”科技人才计划。主要从事复合材料的多尺度改性设计、生物增材制造工艺及装备开发等方面的研究工作。主持国家自然科学基金面上/青年、国家重点研发子课题项目等10余项；以一作/通讯发表高水平SCI论文52篇（中科院1、2区论文40篇）、出版学术专著2部（中英文各1部），入选ESI热点/高被引论文3篇；学术成果得到中国工程院张兴栋、卢秉恒、戴尅戎、卢世璧院士，美国工程院C. Marku和K. Ali院士，加拿大工程院H. Uludag院士，韩国国家科学院JH. Choy院士，以及法国科学院外籍院士Y. Benguerba教授等行业内顶级专家学者团队的引用和评价，SCI他引1600余次，连续入选斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单；授权国家发明专利23项（9项已完成成果转化），登记软件著作权10项；获得教育部技术发明一等奖（2019年）、陕西省自然科学二等奖（2024年）、陕西省高等学校科学技术一等奖（2024年、2020年、2016年）等多项科研奖励等多项科研奖励，并通过了中国国际科技促进会的成果鉴定。（2023年）。

报告摘要:

在生物打印成型工艺中，多生物材料的实时动态精准组装技术是实现天然组织连续梯度生理结构仿生的技术保障和前提。然而，在生物墨水混合挤出过程中，高粘度墨水的不均匀混合及其带来的高剪切应力往往会给生物墨水中的活性细胞带来直接损伤，甚至破裂死亡，这无疑限制了混合挤出打印技术在活性组织、器官重构中的应用。

为了协调混合效率与剪切应力之间的矛盾，课题组基于流体动力学方法研究了混合挤出喷嘴中生物墨水的流动行为和混合过程，分析了影响流道内异质生物墨水的混合效率和剪切应力的分布，阐明了混合叶片的形状、出口直径、挤出速度、针头型号等因素对混合效率和细胞活性的影响机制，建立了最大剪切应力与出口喷嘴直径和打印速度之间的经验方程。基于此，提出了一种混合挤出喷头的优化设计方法，保障了打印过程中细胞等活性物质的活性，细胞活性可控制在95%以上。

其次，结合赫氏-布克利模型，对生物墨水的沉积过程进行了建模和分析。通过正交实验法、控制变量法和响应面法设计实验，研究了不同打印工艺参数对水凝胶沉积过程的影响。以生物墨水胶束的成型度和偏移量为优化目标，获得了打印工艺参数的最优组合，实现了生物墨水的精准成型。