CN111875306A - 三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法 - Google Patents

三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法。三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法包括步骤：将活性巴氏芽孢杆菌菌液和第一流态水泥基材料混合，得到第二流态水泥基材料；通过三维打印设备将第二水泥基材料打印形成固态水泥基实体模型；对固态水泥基实体模型进行养护处理，以在它的孔隙中形成碳酸钙充填沉淀。本发明提供的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，通过将活性巴氏芽孢杆菌添加至三维打印的第二流态水泥基材料中，形成固态水泥基实体模型，并通过养护处理使固态水泥基实体模型中的活性巴氏芽孢杆菌诱导产生碳酸钙填充沉淀，从而增强固态水泥基实体模型中堆积层之间的粘结力，实现其整体强度提升。

Description

三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法
技术领域
本发明涉及水泥基材料应用技术领域，特别是涉及一种三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法。
背景技术
三维打印技术已经在工业制造、生物医学、建筑制造、岩土工程试验等行业中得到了很好地应用。
随着三维打印快速成型技术以及打印材料不断地发展和更新，基于分层堆积原理的水泥基材料也开始运用于岩土工程相关领域的模型制作与力学试验中。例如2012年，Sustainable Oceans International(SOI)借助三维分层成型技术，以砂岩为打印材料，首次制造出高1米、重500公斤，与自然珊瑚礁具有相类似外形特征的人工珊瑚礁；2016年，Jiang Q以粉末状砂岩为主要打印材料，检验了三维打印技术在制作具有特殊外观特征以及含内部缺陷岩体模型试样方面具有较好的可行性；Head D利用三维堆积成型技术打印出内部含有不同微观尺度结构的试样。可见，机器三维快速成型技术由于能快速、高效、精准地制作包含复杂结构的三维实体模型，为岩土工程领域制作复杂水泥基3D实体模型并开展相关力学试验提供一条新途径。
然而，现有水泥基三维固态实体模型的三维打印原理通常是由流态水泥基材料的逐层堆积成型，故相邻两层之间的水泥基材料界面粘结强度相对较低，从而导致三维打印固态水泥基实体模型的强度总体不高，极大地制约了三维打印固态水泥基实体模型的应用场景和实体模型向大尺寸发展的空间。
发明内容
基于此，有必要针对现有三维打印固态水泥基实体模型的强度总体不高的问题，提供一种能提高三维打印固态水泥基实体模型的强度的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法。
本申请的一方面，提供一三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，包括步骤：
将活性巴氏芽孢杆菌菌液和第一流态水泥基材料混合，得到第二流态水泥基材料；
通过三维打印设备将所述第二水泥基材料打印形成固态水泥基实体模型；
对所述固态水泥基实体模型进行养护处理，以在固态水泥基实体模型的孔隙中形成碳酸钙充填沉淀。
在其中一个实施例中，所述养护处理具体包括步骤：
将所述固态水泥基实体模型移至具有第一预设温度的第一恒温培养箱内，并向所述第一恒温培养箱内注入雾化水汽；
使所述固态水泥基实体模型在所述第一恒温培养箱内养护第一预设时长。
在其中一个实施例中，所述第一预设温度范围为25°～35°，所述第一预设时长范围为25天～35天。
在其中一个实施例中，所述将活性巴氏芽孢杆菌菌液和第一流态水泥基材料混合，得到第二流态水泥基材料之前，还包括步骤：
在无菌环境下，向具有第一预设质量比的氯化钠、牛肉膏、蛋白胨、蒸馏水的培养液中，加入与所述培养液具有第二预设质量比的巴氏芽孢杆菌冻干粉进行溶解，形成巴氏芽孢杆菌培养液；
将所述巴氏芽孢杆菌培养液放入具有第二预设温度的第二恒温培养箱中，并培养第二预设时长，得到活性巴氏芽孢杆菌菌液。
在其中一个实施例中，所述第一预设质量比的范围为2.5:1.2:4:400～2.5:1.8:6:600，所述第二预设质量比的范围为1:1600～1:2400。
在其中一个实施例中，所述第二预设质量比可基于巴氏芽孢杆菌活化细菌数量和活化生长曲线测量获得。
在其中一个实施例中，将活性巴氏芽孢杆菌菌液和第一流态水泥基混合，得到第二流态水泥基材料，具体包括步骤：
将活性巴氏芽孢杆菌菌液与蒸馏水勾兑成混合液；
将所述混合液和流态水泥基混合，并得到具有预设水灰比的含有巴氏芽孢杆菌的水泥基材料。
在其中一个实施例中，所述对所述固态水泥基实体模型进行养护处理，以在固态水泥基实体模型的孔隙中形成碳酸钙充填沉淀之后，还包括步骤：
将所述固态水泥基实体模型进行风干处理，以使所述固态水泥基实体模型中的活性巴氏芽孢杆菌转入休眠状态。
在其中一个实施例中，所述风干处理具体包括步骤：
将所述固态水泥基实体模型在第三预设温度下烘干第三预设时长。
在其中一个实施例中，所述第三预设温度范围为65°～75°，所述第三预设时长不小于72小时。
上述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，通过将活性巴氏芽孢杆菌添加至三维打印的第二流态水泥基材料中，形成含有活性巴氏芽孢杆菌的固态水泥基实体模型，并通过养护处理使得固态水泥基实体模型中的活性巴氏芽孢杆菌诱导产生碳酸钙填充沉淀，从而增强固态水泥基实体模型中堆积层之间的粘结力，实现三维打印的固态水泥基实体模型的整体强度提升。另外，活性巴氏芽孢杆菌具有菌种材料来源广、细菌对人体和环境危害小、高浓度与高碱度NH4+的耐受性强及水解尿素能力强的优点，有利于扩大三维打印固态水泥基实体模型的应用场景和实体模型向大尺寸发展的空间。
附图说明
图1为本发明一实施例中的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
此外，附图并不是1：1的比例绘制，并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制，而不一定按照真实比例绘制。
图1示出了本发明一实施例中的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法的流程图。为便于描述，附图仅示出了与本发明实施例相关的结构。
参阅附图，本发明一实施例提供一种三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，包括步骤：
S110：将活性巴氏芽孢杆菌菌液和第一流态水泥基材料混合，得到第二流态水泥基材料；
其中，第二流态水泥基材料中含有活性巴氏芽孢杆菌。
具体地，巴氏芽孢杆菌菌液和流态水泥基的混合包括对巴氏芽孢杆菌菌液和流态水泥基的反复搅拌。更具体地，可将巴氏芽孢杆菌菌液和流态水泥基加入至搅拌桶内反复搅拌。
在一些实施例中，根据第二流态水泥基材料的水灰配比，可确定加入第一流态水泥基材料中的巴氏芽孢杆菌菌液的量。第二流态水泥基材料的水灰配比可基于三维打印对第二流态水泥基材料的塌落度和硬化时间的要求而确定。
在一些实施例中，步骤S110具体包括步骤：
S111：将活性巴氏芽孢杆菌菌液与蒸馏水勾兑成混合液；
S112：将混合液和第一流态水泥基混合，并得到第二流态水泥基材料。
如此，可使加入至第一流态水泥基的活性巴氏芽孢杆菌菌液能快速与第一流态水泥基混合，并在第一流态水泥基中分布均匀。
S120：通过三维打印设备将水泥基材料打印形成固态水泥基实体模型；
在一些实施方式中，三维打印设备的打印原理是通过喷头将第二流态水泥基材料逐层堆积，进而通过第二流态水泥基材料快速固结而形成固态水泥基实体模型，因此，固态水泥基实体模型包括多层堆积层。上述三维打印设备的工作过程为本领域技术人员熟知，在此不作赘述。
S130：对固态水泥基实体模型进行养护处理，以在固态水泥基实体模型的孔隙中形成碳酸钙充填沉淀。
其中，碳酸钙充填沉淀是由活性巴氏芽孢杆菌通过自身新陈代谢活动产生脲酶，以脲酶为催化剂，促使尿素水解产生铵根离子和碳酸根例子，从而诱导固态水泥基实体模型材料中的钙离子形成碳酸钙沉淀，充填至固态水泥基实体模型的孔隙中，这些孔隙包括固态水泥基实体模型的各堆积层之间的间隙。
如此，通过将活性巴氏芽孢杆菌添加至三维打印的第二流态水泥基材料中，形成含有活性巴氏芽孢杆菌的固态水泥基实体模型，并通过养护处理使得固态水泥基实体模型中的活性巴氏芽孢杆菌诱导产生碳酸钙填充沉淀，从而增强固态水泥基实体模型中堆积层之间的粘结力，实现三维打印的固态水泥基实体模型的整体强度提升。另外，活性巴氏芽孢杆菌具有菌种材料来源广、细菌对人体和环境危害小、高浓度与高碱度NH4+的耐受性强及水解尿素能力强的优点，有利于扩大三维打印固态水泥基实体模型的应用场景和实体模型向大尺寸发展的空间。
在一些实施例中，步骤S130具体包括步骤：
S131：将固态水泥基实体模型移至具有第一预设温度的第一恒温培养箱内，并向第一恒温培养箱内注入雾化水汽；
其中，第一预设温度为适合活性巴氏芽孢杆菌生长温度的温度。在一些实施例中，第一预设温度范围为25°～35°。优选地，第一预设温度为30°。
在一些实施例中，可通过雾化器持续向第一恒温培养箱内注入雾化水汽，而使第一恒温培养箱处于潮湿恒温的环境中。
如此，一方面利用了固态水泥基实体模型的各堆积层之间间隙大和游离钙离子丰富的特点，可诱导活性巴氏芽孢杆菌快速生产碳酸钙并在各堆积层之间充填沉淀，另一方面潮湿恒温环境有利于固态水泥基实体模型自身强度的快速形成。
S132：使固态水泥基实体模型在第一恒温培养箱内养护第一预设时长。
其中，第一预设时长为适合活性巴氏芽孢杆菌生长周期的时长。在一些实施例中，第一预设时长范围为25天～35天，优选地，第一预设时长为30天。
需要指出的是，具体实施例中固态水泥基实体模型在第一恒温培养箱养护的第一预设温度和第一预设时长会因不同单位或不同品牌的巴氏芽孢杆菌种差异及活性巴氏芽孢杆菌菌液与第一流态水泥基材料的配比而存在差别，可在事前进行试验测试分析而确定第一预设温度和第一预设时长。
还需要指出的是，固态水泥基实体模型强度提高程度与添加的活性巴氏芽孢杆菌数量呈正相关关系，但其提高程度与其菌种后期诱导碳酸钙填充沉淀的局部环境及固态水泥基实体模型养护环境密切相关，可事前进行试验测试分析确定所需强度下的固态水泥基实体模型中，应当添加的活性巴氏芽孢杆菌数量及养护环境。
在一些实施例中，在步骤S110之前，还包括步骤：
S104：在无菌环境下，向具有第一预设质量比的氯化钠、牛肉膏、蛋白胨、蒸馏水的培养液中，加入与培养液具有第二预设质量比的巴氏芽孢杆菌冻干粉进行溶解，形成巴氏芽孢杆菌培养液；
其中，巴氏芽孢杆菌冻干粉进行溶解的过程是将巴氏芽孢杆菌冻干粉加入至具有培养液的容器内，并摇荡容器直至巴氏芽孢杆菌冻干粉溶解至悬浊液状态，进而形成巴氏芽孢杆菌培养液。
需要指出的是，不同单位或不同品牌的巴氏芽孢杆菌冻干粉有效成分存在差别，其活化率也存在差异，在一些实施例中，第二预设质量比可基于巴氏芽孢杆菌活化细菌数量和活化生长曲线测量获得。具体地，可根据巴氏芽孢杆菌活化细菌数量和活化生长曲线测量，确定巴氏芽孢杆菌培养液的质量，进而反推得到第二预设质量比。
还需要指出的是，配制巴氏芽孢杆菌培养液的体积应考虑拟制作的固态水泥基实体模型的体积和水灰比要求。
在一些实施例中，第一预设质量比范围为2.5:1.2:4:400～2.5:1.8:6:600，第二预设质量比范围为1:1600～1:2400。优选地，第一预设质量比为2.5:1.5:5:500，在该第一预设质量比下的培养液的体积可为3升。第二预设质量比为1:2000。
S108：将巴氏芽孢杆菌培养液放入具有第二预设温度的第二恒温培养箱中，并培养第二预设时长，得到活性巴氏芽孢杆菌菌液。
其中，第二预设温度为适合活性巴氏芽孢杆菌生长温度的温度，第二预设时长为适合活性巴氏芽孢杆菌繁衍的时长。在一些实施例中，第二预设温度范围为25°～35°，第二预设时长范围为20小时～28小时。优选地，第二预设温度为30°，第二预设时长为24小时。
需要指出的是，具有巴氏芽孢杆菌培养液的容器应当先进行密封，再放入至第二恒温培养箱中培养。
还需要指出的是，具体实施例中巴氏芽孢杆菌培养液放入第二恒温培养箱中静置培养的第二预设温度和第二预设时长会因不同单位或不同品牌的巴氏芽孢杆菌种差异存在一定差别，可在事前进行试验测试分析而确定第二预设温度和第二预设时长。
具体地，巴氏芽孢杆菌培养液应当静置培养，经第二预设时长后，观察巴氏芽孢杆菌培养液为浑浊乳白色，表明巴氏芽孢杆菌的活化基本成熟，活性巴氏芽孢杆菌菌液制备完成。
在一些实施例中，步骤S130之后，还包括步骤：
S140：将固态水泥基实体模型进行风干处理，以使固态水泥基实体模型中的活性巴氏芽孢杆菌转入休眠状态。应当理解，活性巴氏芽孢杆菌转入休眠状态是指使活性巴氏芽孢杆菌的新陈代谢停滞。
如此，可避免巴氏芽孢杆菌的活性对固态水泥基实体模型后期应用产生干扰。
具体地，风干处理具体包括步骤：
将固态水泥基实体模型在第三预设温度下烘干第三预设时长。
其中，第三预设时长为促使活性巴氏芽孢杆菌进入休眠状态的时长。在一些实施例中，第三预设温度范围为65°～75°，第三预设时长不小于72小时。优选地，第三预设温度为70°。
具体地，可将固态水泥基实体模型放置于高温干燥箱中进行烘干。采用烘干的方案，可使固态水泥基实体模型处于高温状态，进而确保活性巴氏芽孢杆菌进入休眠状态。
需要指出的是，具体实施例中通过烘干固态水泥基实体模型中的巴氏芽孢杆菌转入休眠状态所需的第三预设时长和受各种因素影响，可在事前进行试验测试分析确定第三预设时长。
在一些实施例中，在步骤S130之后，且在步骤S140之前，还包括步骤：
S135：采用清水冲洗固态水泥基实体模型的表面。清洗固态水泥基实体模型的表面，可使得在固态水泥基实体模型表面的碳酸钙沉淀等被清洗掉，避免后续风干处理后，碳酸钙沉淀等不易清洗，而影响固态水泥基实体模型的外型和美观。
本发明实施例提供的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，相较于现有技术，具有以下有益效果：
通过将活性巴氏芽孢杆菌添加至三维打印的第二流态水泥基材料中，形成含有活性巴氏芽孢杆菌的固态水泥基实体模型，并通过养护处理使得固态水泥基实体模型中的活性巴氏芽孢杆菌诱导产生碳酸钙填充沉淀，从而固态水泥基实体模型中堆积层之间的粘结力，实现三维打印的固态水泥基实体模型的整体强度提升。另外，活性巴氏芽孢杆菌具有菌种材料来源广、细菌对人体和环境危害小、高浓度与高碱度NH4+的耐受性强及水解尿素能力强的优点，有利于扩大三维打印固态水泥基实体模型的应用场景和实体模型向大尺寸发展的空间。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，包括步骤：
将活性巴氏芽孢杆菌菌液和第一流态水泥基材料混合，得到第二流态水泥基材料；
通过三维打印设备将所述第二水泥基材料打印形成固体水泥基实体模型；
对所述固体水泥基实体模型进行养护处理，以在固态水泥基实体模型的孔隙中形成碳酸钙充填沉淀。
2.根据权利要求1所述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，所述养护处理具体包括步骤：
将所述固态水泥基实体模型移至具有第一预设温度的第一恒温培养箱内，并向所述第一恒温培养箱内注入雾化水汽；
使所述固态水泥基实体模型在所述第一恒温培养箱内养护第一预设时长。
3.根据权利要求2所述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，所述第一预设温度范围为25°～35°，所述第一预设时长范围为25天～35天。
4.根据权利要求1所述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，所述将活性巴氏芽孢杆菌菌液和第一流态水泥基材料混合，得到第二流态水泥基材料之前，还包括步骤：
在无菌环境下，向具有第一预设质量比的氯化钠、牛肉膏、蛋白胨、蒸馏水的培养液中，加入与所述培养液具有第二预设质量比的巴氏芽孢杆菌冻干粉进行溶解，形成巴氏芽孢杆菌培养液；
将所述巴氏芽孢杆菌培养液放入具有第二预设温度的第二恒温培养箱中，并培养第二预设时长，得到活性巴氏芽孢杆菌菌液。
5.根据权利要求4所述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，所述第一预设质量比的范围为2.5:1.2:4:400～2.5:1.8:6:600，所述第二预设质量比的范围为1:1600～1:2400。
6.根据权利要求4所述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，所述第二预设质量比可基于巴氏芽孢杆菌活化细菌数量和活化生长曲线测量获得。
7.根据权利要求1所述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，将活性巴氏芽孢杆菌菌液和第一流态水泥基混合，得到第二流态水泥基材料，具体包括步骤：
将活性巴氏芽孢杆菌菌液与蒸馏水勾兑成混合液；
将所述混合液和流态水泥基混合，并得到具有预设水灰比的含有巴氏芽孢杆菌的水泥基材料。
8.根据权利要求1所述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，所述对所述固态水泥基实体模型进行养护处理，以在固态水泥基实体模型的孔隙中形成碳酸钙充填沉淀之后，还包括步骤：
将所述固态水泥基实体模型进行风干处理，以使所述固态水泥基实体模型中的活性巴氏芽孢杆菌转入休眠状态。
9.根据权利要求8所述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，所述风干处理具体包括步骤：
将所述固态水泥基实体模型在第三预设温度下烘干第三预设时长。
10.根据权利要求8所述的三维打印固态水泥基实体模型的微生物增强方法，其特征在于，所述第三预设温度范围为65°～75°，所述第三预设时长不小于72小时。
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