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研究生: 陳心怡
Xin-Yi Chen
論文名稱: 可換噴頭多材料3D生物列印機台之模組改良
The Improvement of Modules in Multi-material Changeable-printheads 3D Bioprinter
指導教授: 鄭逸琳
Yih-Lin Cheng
口試委員: 蔡明忠
Ming-Jong Tsai
陳怡文
Yi-wen Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 123
中文關鍵詞: 3D 生物列印機台可擴充性噴頭模組氣壓迴路系統微量細胞列印
外文關鍵詞: 3D Bioprinter, scalability printhead module, Pneumatic closed -loop system, micro cell printing
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近年來,3D生物列印技術廣泛被許多公司商業化,現有市售機台以擠製型3D生物列印機台為大宗,其多為固定噴頭類型之方式。本實驗室先前研究自組可換噴頭3D生物列印機台,但經由測試後發現部分模組功能嚴重影響到材料的選擇。因此本研究針對氣壓迴路系統、噴頭模組以及致冷模組進行改良,達到可應用更加多元的生物材料。
本研究改良氣壓迴路系統,使該系統具有回授功能,並且能同時設定多組氣壓迴路,達到列印時穩定輸出氣壓值,而其調控氣壓值範圍由-100~400kPa增加為-100~900kPa,因此本研究利用氣壓式微量細胞噴頭取代壓電式微量細胞噴頭,達到相同精密控制噴墨量的功能,同時能夠降低成本。噴頭模組,本研究將不同功能模組改為替換式,可依據材料特性自由加裝在噴頭模組上,並且調整熱電偶放置位置,使針筒均勻受熱以及針頭溫度與設定溫度達到一致;光源模組改良,可直接替換不同光源波長之低角度環形燈,並且安裝在噴頭模組上,因此可應用之光固化材料更加多元。致冷模組的散熱方式由側向吹風改為正下方往上吹風,以提高散熱效率,致冷溫度由原先15℃降至3.9℃。因此,本研究生物列印機,將可進行微量細胞列印功能、提高生物材料受熱均勻性以及可廣泛應用於常見的生物材料。


3D Bioprinting Technique has been widely commercialized by many companies in recent years. The present 3D bioprinters are mostly based on extrusion-based bioprinting technique, which are mostly fixed printhead types. The printhead replaceable multi-material 3D bioprinter developed in our lab in the previous study was found that some functional modules seriously affected the choice of materials after testing. Therefore, this study has improved the pneumatic-control system, the nozzle module, and the cooling module to achieve the application of more diverse biological material.
In this study, the pneumatic closed-loop control system is improved, so that the system has a feedback function, and multiple sets of air pressure circuits can be set at the same time to achieve the effect of stabilizing the output air pressure value during printing. And the range of the regulated air pressure value is increased from -100~400 kPa to -100~900kPa. Therefore, the piezoelectric micro cell nozzle is replaced by the pneumatic micro cell nozzle. Which lowering the cost but still achieve the same requirement of controlling the droplet precisely. In the nozzle module, this study changed the different function modules to the replacement type, which can be freely installed on the nozzle module according to the material characteristics, and adjust the position of the thermocouple to make the syringe heat uniformly. So the needle temperature and the set temperature are consistent. In addition, the light source module is improved. The low-angle ring lights with variable wavelength can be replaced directly and mount onto the nozzle module. Therefore, increase the applicability of different photo-curable material. In the cooling module, this study adjusted the heat dissipation method from side blowing to blowing from the bottom to the top, thereby improving the heat dissipation efficiency. And the cooling temperature was lowered from the original 15 °C to 3.9 °C. Therefore, the bioprinter of this study will be able to perform micro cell printing function, improve the uniformity of heating of biological materials, and can be widely applied to common biological materials.

第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 研究方法與步驟 4 1.4 論文架構 5 第二章 文獻探討 7 2.1 3D生物列印技術 (3D Bioprinting) 7 2.1.1 擠製型 3D生物列印成型技術 (Extrusion-based Bioprinting Technique) 11 2.1.2 噴墨型 3D生物列印成型技術 (Inkjet-based Bioprinting Technique) 13 2.1.3 雷射型 3D生物列印成型技術 (Laser-based Bioprinting Technique) 15 2.2 目前市面擠製型 3D生物列印列印種類 17 2.2.1 擠製型 3D生物列印機 噴頭可替換式 17 (一 ) envisionTEC 17 (二 ) Advanced Solutions 18 2.2.2 擠製型 3D生物列印機 噴頭固定式 19 (一 ) envisionTEC 19 V (二) GeSiM . 20 (三) regenHU 21 (四) Organovo 22 (五) Regenovo 23 (六) Sciperio/nScrypt 24 (七) Seraph Robotics 25 (八) REGEMAT 3D 26 (九) Bio3D Technologies 27 (十) ALLEVI、、BiobotS 28 (十一)CELLINK 29 (十二)3Dynamic Systems 30 2.3 目前市面擠製型目前市面擠製型3D生物列印機功能比較生物列印機功能比較 31 第三章 列印機台與系統架構列印機台與系統架構 33 3.1 設計理念設計理念 34 3.2 機台硬體架構機台硬體架構-各模組設計之調整各模組設計之調整 37 3.2.1 XYZ軸向模組軸向模組 37 3.2.2 快速更換噴頭模組快速更換噴頭模組 38 3.2.3 水平度與高度調整模組水平度與高度調整模組 39 3.3 操作軟體與操作軟體與PLC控制器控制器 40 3.3.1 切層軟體切層軟體 41 3.3.2 生物列印控制器以及生物列印控制器以及PLC程式編輯程式編輯 44 3.3.3 PLC人機控制器介紹人機控制器介紹 45 第四章 系統改良與模組優化系統改良與模組優化 52 4.1 氣壓迴路系統設計氣壓迴路系統設計 52 4.1.1 氣壓迴路系統架構氣壓迴路系統架構 53 4.1.2 氣壓迴路零件介紹氣壓迴路零件介紹 55 (一) 空氣調理組合空氣調理組合 55 (二) 電磁閥電磁閥 55 (三) 真空產生器真空產生器 56 (四) 電氣比例閥電氣比例閥(正、負壓正、負壓) 57 (五) 真空電磁閥真空電磁閥 61 4.2 微量細胞噴頭選擇微量細胞噴頭選擇 62 4.2.1 螺桿式噴頭螺桿式噴頭 62 4.2.2 壓電式噴頭壓電式噴頭 63 4.2.3 氣壓式噴頭氣壓式噴頭 65 4.2.4 微量細胞噴頭選擇微量細胞噴頭選擇 65 (一) 球體尺寸計算公式球體尺寸計算公式 66 (二) 推算可使用之針頭尺寸推算可使用之針頭尺寸 66 4.3 各模組設計之改良各模組設計之改良 67 4.3.1 生物列印噴頭模組生物列印噴頭模組68 (一) 加熱棒模組加熱棒模組 69 (二) 光源模組光源模組 70 (三) 對接頭對接頭70 4.3.2 多噴頭存放座多噴頭存放座 71 4.3.3 列印平台模組列印平台模組 73 (一) 替換式平台模組替換式平台模組 74 (二) 加熱片模組加熱片模組 75 (三) 冷卻模組冷卻模組 76 第五章 生物列印系統與模組測試生物列印系統與模組測試 79 5.1 氣壓迴路系統穩定測試氣壓迴路系統穩定測試 79 5.2 微量細胞噴頭擠出測試微量細胞噴頭擠出測試 85 5.3 生物列印模組測試生物列印模組測試 87 5.3.1 加熱棒模組溫度分佈加熱棒模組溫度分佈 87 5.3.2 光源模組強度測試光源模組強度測試 90 5.3.3 冷卻模組功能溫度分佈驗證冷卻模組功能溫度分佈驗證 93 5.4 列印支架流程列印支架流程 95 5.4.1 列印支架流程列印支架流程 95 5.4.2 黏度測試黏度測試 96 5.4.3 氣壓壓力理論值計算氣壓壓力理論值計算 97 5.4.4 設定參數設定參數 98 5.5 生物材料之支架列印生物材料之支架列印 98 5.5.1 材料介紹材料介紹 98 5.5.2 理論氣壓壓力值計算理論氣壓壓力值計算 100 5.5.3 設定參數設定參數 100 第六章 結論與未來研究方向結論與未來研究方向 102 6.1 結論結論 102 6.2 未來研究方向未來研究方向 103

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無法下載圖示 全文公開日期 2024/08/27 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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