机械工程论文哪里有？本课题通过对生物组织工程领域的国内外研究现状进行总结分析，得出了该领域现有生物反应器与其配套的应变加载装置的不足，并以此设计了一种新型的应变加载装置，用于神经组织工程构建。该装置的设计初衷在于在不降低现有同类型装置的性能的前提下，改良其性能，提高装置的实用性，并对该装置的性能进行分析。
第一章 绪论
1.2 神经细胞组织工程构建的研究现状
作为现代生物力学的前沿领域之一，若想了解细胞尺度上力学因素对细胞生长、分化等发育过程的影响，则需要研究出最有效的细胞加载方式。为了满足多样的实验需求，本领域的研究人员近年来不断对产品进行改进，研制出了多种不同的细胞加载装置[18]。传统的生物反应器主要有以下几种类型：压缩式生物反应器，搅拌式生物反应器，旋转壁式生物反应器，灌流式生物反应器，以及液压式生物反应器[19]。在基于细胞组织工程构建的生物学研究中，多种力学条件的组合刺激才能较为准确地反映天然组织所处的力学环境。所以，在组织工程中往往使用两种或者多种力学刺激的耦合来体现天然组织的生存环境。如今，生物反应器可以提供各种接触式刺激，如拉力、压力、剪切力、流体剪应力和静水压力等载荷，在一定程度上反应在体细胞组织的受力状态。生物反应器也可提供非接触式刺激，如电磁场、重力场、超声、摆动等，用于工程骨或软骨的构建[20]。
葡萄牙米尼奥大学 Correia C.等[21]设计了一台新型静水压力生物反应器。该生物反应器由高压模块和低压模块组成，通过 PLC 控制电磁阀开闭，实现脉冲加压。高压模块为不锈钢培养室，利用空气压力驱动活塞，为培养基提供静水压力；低压模块为密闭的注射器，利用空气压力驱动注射器活塞，为管内培养基提供静水压力。利用该生物反应器，研究团队将人体脂肪干细胞封装在结冷胶中，分别提供稳定的静水压力和脉冲压力。实验发现，脉动低压促进细胞外基质的分泌，连续低压抑制细胞外基质的分泌。在相同脉动情况下，低压比高压抑制细胞外基质的分泌。
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第三章 神经组织培养物的静力学分析
3.1 引言
人体细胞的大小一般在几十微米左右，因此用常规方法对细胞组织进行加载并不现实[38]。因此，领域内目前大都采用间接加载法，使用弹性基底对细胞进行间接加载[39]。间接加载法的结果存在一定误差，因为实验者无法判断基底上的变形是否和细胞的形变同步，除此之外，在加载过程中，弹性基底的应变存在不均匀性，细胞受到不同区域、不同大小应变的影响，因此，还需要计算拉伸过程中弹性基底的应力与应变变化情况，而要想明确这一变化的具体数值，需要进行比较复杂的数学计算。
近年来随着计算机技术的不断发展，使用计算机进行有限元分析计算已经成为了力学计算的主流。本章便利用有限元分析法，计算了神经细胞组织培养物在拉伸过程中，其内部的静力学情况。
本拉伸装置配套的的培养物在制造工艺上，应当符合 GB/T 528-2009 标准的相关规定。其具体尺寸为：培养管外直径 7mm、内腔直径 6nn、管壁厚度 0.5mm、培养管有效培养长度 30mm。该培养物需要能够以最快 1mm/s 的速度进行轴向拉伸，拉伸的最大变形量不低于有效培养长度的 50%，即 15mm。
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第五章 应变加载装置的计算流体力学模拟
5.1 引言
为了给细胞提供代谢所需的氧气并且维持培养环境的酸碱度稳定，培养细胞所使用的生物反应器都会对培养基与外界环境进行物质交换，用以保证培养环境的正常。本应变加载装置通过气泵向反应器内部通入含有氧气及二氧化碳的气体，来实现物质交换的目的。为了研究这一气体是否能够达到实现氧气与二氧化碳同细胞生长环境进行物质交换的设计目的，本章通过计算流体力学模拟，来研究流通气体对加载装置及其内部培养细胞的影响。
图 5.1 装置内气体流通空间示意图
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5.2 计算方法与软件简介
5.2.1 计算流体力学简介
计算流体力学（Computational Fluid Dynamic，简称 CFD）是一种新兴的交叉学科，主要内容是以数值分析为原理，通过计算机来计算流体力学方程，达到分析流体中流场流动情况的目的[51]。该学科所衍生出的计算方法准确率高，现在已成为解决与分析流场问题的重要手段。
CFD 常用于模拟流场的流动情况，在参数满足条件的前提下，能够对固、液、气三态的流体进行分析。作为一种有限元分析方法，CFD 的计算方法与其他有限元分析方法相同，从步骤上分为前处理、参数求解、后处理三部分[51]。其中，前处理的内容为建立流场的三维或二维模型、划分模型的网格等；参数求解的内容为计算方法控制方程、选择离散方法与数值计算方法、设置模型的边界参数等等，其中参数是根据有限元分析所想得到的结论而变化的；后处理的内容有流速场、气体路径、压力场、温度场以及流场流动过程中的动态可视化处理等[52]。
5.2.2 ANSYS Fluent 简介
Fluent 作为一种被大范围应用于工程领域的 CFD 分析软件,能够对大部分流体力学环境根据实际情况进行仿真。Fluent 内置有多种物理模型，具有强大的算法与后处理能力，在机械工程、生物力学等领域的流体力学计算中应用广泛[53]，在水利工程、污水处理设施、大气环境监测设施、发电站冷却塔，乃至室内排风系统的设计计算中都有所涉及。
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第六章 总结与展望
6.2 展望
本文阐述了一种用于神经组织工程构建的应变加载装置以及一种新型的细胞培养管的设计结果，但受制于本人的对课题的了解程度，加之工作量有限，本课题仍一些不足之处等待完善，主要包括以下两点：
（1）本文对于装置内部的热传递与流体力学情况分别作了分析，但是对于热力学与流体力学同时作用的耦合状况没有做分析。对此，在以后的计算中要将耦合场对于装置的影响考虑进去，使计算结果更加准确，不能忽略一种力场对另一种力场的影响。
（2）本文为方便计算，在各组有限元仿真中均对装置模型做了不同程度的简化处理，虽然理论上这些简化不涉及核心参数，对有限元仿真结果的影响微乎其微，但为严谨起见，接下来的有限元仿真及实际实验中，我们将更多地按照实际状况还原参数，使结果更加可信。
目前在神经组织工程领域，生物反应器与临床治疗的实际结合案例较少，而将应变加载装置越来越多地用作相关组织的培养将是该领域的一个发展方向。目前大部分生物反应器尺寸庞大，而且造价高昂，因此要将细胞组织体外培养技术大规模在临床当中应用还面临实用性问题。对神经组织损伤治疗手段的进一步研究还要继续深入，探索出更加高效、经济、安全的神经组织工程构建方法仍是解决神经损伤问题的关键课题。本应变加载装置已经完成了结构设计并进行了有限元仿真，并且初步具备了进行实物加工的条件，本论文中得出的数据可以为下一步的实际生产做出参考。
参考文献（略）
