概要:组织/器官内的血供系统,为组织提供了必要的营养及代谢交换.而在体外构造组织/器官原型时,如何在大尺寸结构中构建营养网络,是长期以来的技术难题.近年来,同轴生物3D打印技术为该问题提供了一种极具潜力的解决方案.同轴生物3D打印技术的基本原理是:使用同轴喷头将外层的水凝胶材料和内层的牺牲材料共同挤出,打印为所需的复杂结构,内层的牺牲材料去除后形成的中空通路即成为后续培养中的营养网络.该技术结合了传统生物打印方法和牺牲组分3D打印方法的优点,能够一步构造内置营养网络的大尺寸仿生结构,在组织工程和器官重建等领域具有突出的优势.本文结合课题组近年围绕同轴生物3D打印技术所做的一些工作,梳理和总结了该技术的最新研究进展.主要关注以下几点:(1)在同轴3D打印血管时必须考虑的因素;(2)首选生物材料清单;(3)内皮化通道的制造原理及其潜在机制;(4)同轴生物3D打印技术的最近进展;(5)未来的挑战.首先,本文概述了当前生物3D打印中常用的水凝胶材料,包括海藻酸钠(Alginate)、明胶/甲基丙烯酸酐化明胶(Gelatin/GelMA)和胶原(Collagen)等,介绍了这些材料的生物相容性、可打印性和打印原理等生物3D打印技术中重点关注的因素.随后,论文详述了同轴生物3D打印技术的基本原理、技术特点以及使用该技术构造内含营养网络(特别是血管化)的大尺寸结构的最新尝试.最后,论文展望了同轴生物3D技术未来可能的发展方向.最新的研究进展表明,该技术为快速制造血管化的组织/器官原型提供了可能.

关键词组：生物3D打印;同轴生物打印;血管化;生物墨水

目的:锌具有良好的降解性能和生物相容性,被视为一种很有前途的骨修复材料.然而,锌金属作为骨植入物时的力学强度难以满足承重骨修复的需求,并存在炎症反应的风险.本文旨在探讨稀土钕合金化对锌骨植入物激光成形质量的影响,为改善锌合金的成形质量、提高力学性能及增加抗炎活性提供理论依据.
创新点:1. 在增材制造过程中,添加钕能够有效改善锌基合金的成形质量;2. 稀土钕提高了锌基合金的力学性能,同时也赋予了抗炎活性.
方法:1. 通过实验对比锌钕合金的表面形貌,计算出相应的致密度,并分析钕对锌基合金成形质量的影响(图2);2. 基于不同实验对比锌钕合金的微观组织结构及力学强度的变化,并探讨稀土钕提高力学性能的原因(图3~5和表1);3. 通过电化学实验和浸泡实验,分析稀土钕对降解性能的影响(图6和7);4. 基于体外生物学实验,对比分析钕对抗炎活性和细胞活性的影响(图8和9).
结论:1. 稀土钕提高了激光增材制造锌合金的成形质量,并使其致密化率高达98.71%;2. 钕合金化有助于晶粒细化和第二相强化,使极限抗拉强度提高到了(119.3±5.1) MPa;3. 钕合金化能抑制促炎因子的释放,促进抗炎因子的释放,进而使锌钕部分具有良好的抗炎活性,而细胞培养试验也表明其具有良好的生物相容性.

关键词组：锌钕合金;激光粉末熔融;抗炎活性;力学性能

目的:采用华南地区的原材料研发一种LC³水泥胶凝材料,并研究其水化反应、微观结构的发展、工作性能、强度性能的发展以及混凝土和钢筋之间的粘结-滑移行为,为推广LC³水泥胶凝材料应用于滨海结构混凝土提供基础信息和参考.
创新点:1. 鉴于目前对LC³水泥胶凝材料在混凝土技术和结构混凝土中的应用研究较少,本文对采用华南地区原材料制备的LC³混凝土进行了技术研究和应用分析;2. 试验结果发现,LC³混凝土的抗折和劈裂性能优于相同抗压强度的普通混凝土;3. 采用拔出试验研究LC³混凝土与钢筋之间的界面粘结-滑移行为,证明了新型LC³水泥胶凝材料在钢筋混凝土结构中的适用性.
方法:1. 开展一系列基于LC³水泥的净浆、砂浆和混凝土的实验研究,并使用原始材料进行微观结构分析(水化产物表征和孔结构分析)和宏观测试(工作性能和力学性能测试).2. 研究LC³混凝土与钢筋之间的粘结-滑移行为.
结论:1. 与普通混凝土(OPC)相比,钙矾石、单碳铝酸盐(MC)和半碳铝酸盐(HC)是LC³样品中的主要晶体水合产物;由于熟料减少50%,且LC³中发生的二次水化反应消耗了大量OPC熟料水化生成的氢氧化钙(CH),因此在LC³的水合产物中几乎没有残留六角形薄片CH.2. 与OPC砂浆和混凝土相比,LC³砂浆和混凝土的早期强度较低;由于在煅烧粘土中无定形二氧化硅和氧化铝(与石灰石结合)二次反应形成了更多的水化硅酸钙和碳铝酸钙水合物,LC³砂浆和混凝土的后期强度(7天后)迅速增加至与OPC砂浆和混凝土相当的强度水平.3. 在与OPC同类材料具有相同抗压强度的情况下,LC³水泥胶凝材料具有更高的抗折和劈裂强度,因此更有韧性.4. 对于LC³水泥胶凝材料,颗粒更细的石灰石不一定会带来更好的力学性能.5. 对于混凝土与钢筋之间的界面粘结-滑移行为,LC³的破坏模式与OPC大致相同,且通常有两种破坏模式,即钢筋从混凝土中拔出和混凝土劈裂破坏;在具有相同等级的抗压强度时,LC³混凝土的粘结强度与OPC混凝土相当,但其粘结-滑移刚度更大.

关键词组：煅烧粘土-石灰石复合水泥;水化反应;粘结-滑移;压汞孔隙度测定法;扫描电子显微镜;粘结强度

目的:以45#钢支座为典型制件对钢质液态模锻制备工艺过程进行分析与优化.研究不同工艺参数对制件组织性能的影响,对制件不同位置的组织性能进行探讨,优化和改善液态模锻钢制制件性能,为钢制制件的液态模锻制备提供理论依据.
创新点:1. 利用数值模拟软件模拟分析了钢质液态模锻工艺过程,为试验分析提供理论依据;2. 对制件不同位置的组织性能分析,探讨了塑性变形在液态模锻工艺过程中的影响.
方法:1. 采用ProCAST模拟软件对45#钢液态模锻的凝固过程、温度场及应力场的变化进行模拟(图6~8),并对液态模锻工艺过程进行理论优化;2. 采用单一变量法,讨论浇注温度和保压时间对成型件的微观结构、机械性能和耐磨性的影响(图9~12);3. 研究成型制件不同位置的微观组织、力学性能和断裂行为(图14,16和17),并讨论液态模锻工艺过程中塑性变形对制件组织性能的影响;4. 探讨分析45#钢支座的动态成形工艺(图18),并研究45#钢的液态模锻整体工艺过程.
结论:1. 熔融金属的最佳浇注温度和保压时间分别在1540~1560 °C和35~40 s.2. 在浇注温度为1540 °C和保压时间为35 s时,液态锻造制备的45#钢支座具有最佳的组织性能;此时支座盘边缘的抗拉强度、伸长率、维氏硬度和摩擦系数分别为783.4 MPa、17.1%、242.7和0.36.3. 45#钢支座不同位置的组织性能差异不大,但由于塑性 变形的原因,中间位置的性能表现优于边缘位置.4. 45#钢支座的液态锻造工艺过程相对较复杂,包含不同的金属液对流和塑性变形;这些特殊的过程导致45#钢支座的组织性能相对优异.

关键词组：45#钢;液体锻造;数值模拟;力学性能;耐磨性;断裂行为

目的:基于动力学仿真载荷谱对动车组车体进行疲劳损伤评估,并在试验台上进行验证.
创新点:1. 基于动力学仿真得到车体服役载荷谱;2. 通过损伤评估得到车体在各种工况下的疲劳损伤,并在试验台上将载荷谱应用于整车车体.
方法:1. 通过动力学仿真,对同一工况不同速度等级、不同线路条件、不同故障工况和不同踏面情况下得到的载荷谱进行分析.2. 利用车体的加速度载荷时间历程对其进行结构疲劳寿命预测分析,得到各个工况下的损伤值.
结论:1. 随着速度的提高,车体三个方向的加速度越来越大;列车通过曲线时,横向加速度均值偏大;道岔通过和扭曲线路都会引起车体三个方向加速度的增加;空簧失效条件下,车体垂向加速度明显增大;抗蛇行减振器失效会引起车体横向加速度的明显增加;二系横向和垂向减振器的失效会引起三个方向的加速度增大,但是不明显;在各个工况及速度级条件下,相对于原始踏面,车体在磨耗型踏面的加速度更大.2. 对所得车体加速度载荷时间历程进行功率谱密度函数分析发现,各种条件下的车体振动能量主要集中在20 Hz以下.3. 随着速度的增加,车体损伤增加;磨耗型踏面比非磨耗型踏面对车体损伤大;故障工况下,当速度小于200 km/h时,只有空簧失效对车体损伤较大;当速度大于200 km/h时,抗蛇行减振器失效对车体产生的损伤最大;道岔和扭曲线路会对车体产生一定的损伤,但影响不大;当列车进行牵引制动时,随着速度的提高,损伤也相应增加,并且当牵引速度大于300 km/h时,损伤会急剧增加.

关键词组：动力学建模;车体;载荷时间历程;疲劳;损伤