Directed cell growth and alignment on protein-patterned 3D hydrogels with stereolithography

The stereolithography apparatus (SLA) is a computer-assisted, three-dimensional (3D) printing system that is gaining attention in the medical field for the fabrication of patient-specific prosthetics and implants. An attractive class of implantable biomaterials for the SLA is photopolymerisable hydrogels because of their resemblance to soft tissues and intrinsic support of living cells. However, most laser-based SLA machines lack the minimum feature size required to imitate cell growth and alignment patterns in complex tissue architecture. In this study, we demonstrate a simple method for aligning cells on 3D hydrogels by combining the micro-contact printing (µCP) technique with the stereolithographic process. Fibronectin modified with acrylate groups was printed on glass coverslips with unpatterned, 10, 50, and 100 µm wide line patterns, which were then transferred to hydrogels through chemical linkages during photopolymerisation. Fibroblasts cultured on protein-printed 3D hydrogels aligned in the direction of the patterns, as confirmed by fast Fourier transform and cell morphometrics.     

基于不同微观固体接触模型的轮轨表面变形特性分析

针对轮轨表面接触变形问题,采用不同的统计型微观固体接触模型,即Greenwood-Williamson （GW）模型,Chang-Etsion-Bogy （CEB）模型和Zhao-Maietta-Chang （ZMC）模型,研究轮轨接触表面变形特性。利用Newton-Raphson方法对微观固体接触模型公式进行求解,并同时求解间隙方程和载荷平衡方程。考虑不同粗糙度和不同塑性指数下各微观固体接触模型的压力分布情况,以及接触半径随载荷的变化情况。并将不同微观固体接触模型的结果和Hertz模型结果对比,结果表明弹塑性微观接触模型（CEB,ZMC）比弹性模型（GW）有着更小的接触压力以及更宽的接触半径,最大压力均小于最大Hertz接触压力,接触半径均大于Hertz接触半径。     

热力耦合下微接触点塑性应变沿深度变化分析

在考虑粗糙实体弹塑性变形、热力耦合、微凸体间相互作用和摩擦热流耦合等影响下,运用有限元法数值模拟具有三维分形特性的粗糙面与刚性平面间滑动摩擦过程,分析了粗糙实体接触凸点塑性变形随深度变化情况。发现：在速度的突变和闪点温度形成时,摩擦接触表层等效塑性应变增大明显;在这一摩擦表层,过不同接触点的纵向剖面塑性应变沿深度分布不同：有的是接触表面塑性变形最大,有的是在接触微凸体表面下某一深度塑性变形最严重,而接触凸点表面的塑性应变稍小些。这与相关文献用SEM研究干摩擦后金属摩擦表层变形照片后发现的结果一致。滑动摩擦过程中,金属粗糙摩擦接触表层塑性变形的不断累积,将会导致材料表层中的夹杂或微观缺陷周围萌生微孔和裂纹源。     

不同接触尺度下石墨烯摩擦学性能研究进展

石墨烯是石墨的基本结构组成单元,是由碳原子以sp^2杂化轨道组成、呈六角型蜂巢状且具有独特二维结构的纳米材料。由于其优异的机械及润滑特性,成为近年来国内外摩擦学领域研究的聚点和热点。大量研究表明:石墨烯不仅在微纳接触尺度下展现出超润滑性能,而且在宏观接触方式下也展现出非凡的摩擦学特性。详细介绍了石墨烯在微观接触和宏观接触状态下摩擦学性能的影响因素。在微观接触状态下,滑动发生在完美、平滑的基础面晶面上,施加的载荷小,接触面小,其摩擦学性能主要受到结构形变、表面清洁(包括缺陷、环境、化学官能团)、公度/非公度结构等因素影响。在宏观接触状态下,施加的载荷大,接触面积大,影响因素众多,除了上述在微观接触状态时提到的影响因素,还涉及材料本身存在的各向异性、晶界以及宏观力的破坏等作用,受到棱边键及摩擦引起的悬键暴露和定序摩擦界面的形成的影响。基于此,分析了石墨烯获得不同尺度超低摩擦所需的必要条件和润滑机制,展望了石墨烯摩擦学研究未来发展方向和仍需解决的问题。     

粗糙表面弹塑性微接触模型分析与改进

为了准确描述粗糙表面微接触特性,对比分析现有插值多项式类和幂指函数类微接触模型存在的不足,采用量纲归一化方法,提出一种考虑材料属性的弹塑性微接触改进模型. 与现有模型相比,改进后的微接触模型在屈服临界点和全塑性临界点处具有良好的连续性和光滑性,且考虑了材料泊松比对最大接触压力因子的影响. 结果表明：较经典的KE模型和Lin模型,提出的模型能够连续、光滑和单调地描述微接触特性;微凸体接触面积与材料泊松比无关,且不受最大接触压力因子取值的影响;微凸体的平均接触压力、接触载荷和接触刚度与材料泊松比相关,且与最大接触压力因子成正比.     

材料表面自由能对微接触印刷油墨转移过程的影响

为提高印刷转移效果,以硫醇为研究对象,从理论上分析了理想状况印刷和实际印刷中硫醇的比表面能对其转移率和铺展系数的影响;实验研究了印刷图案精细程度和达到稳定的时间随硫醇浓度的变化情况。结果表明:降低硫醇浓度可降低其比表面能,从而增大转移率和增强在基底表面的铺展效果。为实际应用中硫醇转移过程的控制和改进提供一些指导。     

含硬涂层结构的表面微观接触新模型

为研究含有硬涂层的粗糙表面中微凸体和基体变形对表面微观接触特性的影响规律,利用Hertz接触理论分别求出微凸体和基体的接触刚度,利用不动点迭代法确定微凸体变形量,建立关于微凸体接触变形量的刚度模型,通过并联关系耦合接触刚度,建立新的接触表面微观接触模型。为验证新模型对含有硬涂层的粗糙表面接触特性描述的正确性,建立了不同大小和不同材料的单微凸体有限元模型,通过与Hertz模型、有限元分析结果比较,发现当基体材料和微凸体材料不同时,微凸体/基体系统的应力分布会不均匀,微凸体表面的接触力比材料相同时的接触力小,最大应力比材料相同时的最大应力大;在变形量很小的时候,Hertz模型解和新模型解都很好地与有限元分析结果相吻合,随着变形量的变大,有限元分析解和新模型解开始同时偏离Hertz模型解,但新模型解一直趋近于有限元分析解。     

基底诱导聚合物相分离制备高度有序图形的研究

基底诱导聚合物相分离是一种制备高度有序图形化高分子薄膜的新技术。研究考察了PS/PVP共混物在图案化基底上的相分离图形化的影响因素。实验证明,聚合物薄膜的膜厚对图形的质量有着重要的影响。薄膜厚度过薄（小于100nm）反浸润现象导致薄膜不连续;薄膜很厚（大于300nm）时基底的诱导效应减弱。而在合适的膜厚情况下（约140nm）,基底图案对聚合物膜的表面形态有最好的诱导效果。另一个关键因素是基底图案的周期,当周期与聚合物本征颗粒的尺寸相近时图形化效果最好。     

A Micro-Scale Liquid Bridge Between Two Elastic Spheres: Deformation and Stability

A recent study showed that for a liquid bridge of volume V_o interposed between two half-spaces and originally separated by uniform gap H, the interface stability was determined by a single dimensionless parameter. When the parameter exceeds a certain value, the interface loses stability and the solid surfaces come into contact. Further, once contact is made, the contact zone will continue to spread without bound. In the present work, the interaction between two curved elastic bodies coupled via a small liquid bridge is investigated. The equilibrium configurations are determined by minimizing the total free energy stored in the interface among all provisional equilibrium configurations; i.e., those configurations consistent with the equations of elasticity and capillarity. In the case of curved bodies, the stability of the interface is governed by the above parameter as well as by a dimensionless ratio involving the liquid volume (V_o), the composite radius (R) and the original (undeformed) minimum sphere–sphere separation (H). When the interface becomes unstable, solid–solid separation cannot be sustained and contact ensues. The resulting solid–solid contact radius is found to depend on the above parameters as well as on the ratio of solid–liquid and liquid–air surface energies. Based on the numerical calculations, simple relations are found between the contact radius and the other relevant parameters.