三维印刷多孔纤维素纳米复合水凝胶脚手架

这是关于3D打印纳米纤维素水凝胶脚手架的第一份报告，我们有一个梯度孔隙结构和机械性能，以模仿自然结构作为软骨。使用 3D 打印技术的两个主要优点是定制和设计自由。这为制造新的和未开发的几何设计提供了无限的机会。

该协议是用户友好的，新手可以很容易地重现结果。切片软件的选择和喷嘴的移动对最终产品有显著影响。首先，在容器中混合11%重量CNC，6%按重量含盐酸钠，12%按重量明胶混合40毫升水凝胶油墨。

将混合物加热至40摄氏度，并用铲子混合，直到获得光滑的糊状物。将混合物转移到60毫升注射器中。接下来，在机械夹的帮助下，将混合物通过一系列不同直径的喷嘴进入另一个 60 毫升的注射器中。

重复该工艺，直到获得水凝胶油墨的平滑挤出丝。以 4，000 倍 g 轻轻将装满水凝胶墨水的注射器离心，以清除被困的空气。从 SD 卡中，选择保存的文件以用于均匀和梯度孔隙基架，然后开始打印。

如果需要，相应地调整速度和流速。要在 3D 打印完成后将脚手架交叉链接，请轻轻将重量氯化钙溶液滴下 3%添加到脚手架中，直到其完全湿润。等待五分钟。

非常仔细地将脚手架从打印机床转移到一个 50 毫升的容器中，容器中填充了 3% 的重量氯化钙溶液。留一夜。用蒸馏水彻底清洗，将脚手架转移到一个50毫升的容器中，用重量填充3%的谷胱甘肽溶液。

留一夜。彻底清洗，将 3D 打印脚手架存放在蒸馏水中。对于压缩测试，将装有潜水压缩底板的容器加满两升水，并启动加热系统达到37摄氏度。

初始化蓝山通用软件，并设置测试方法。选择矩形试样几何体，并选择在测试每个样本之前输入尺寸的选项。将应变速率设置为每分钟 2 毫米，结果为 80% 压缩应变以及 90 牛顿力。

在”测量”部分中，选择”力”、位移、压缩应力和压缩应变。选择将数据导出为文本文件以用于将来绘图的选项。使用慢跑控制装置将横头板尽可能靠近底板，设置零延长点。

测量并记录要测试的样品的尺寸。当水温达到37摄氏度时，将样品放在底板上。通过移动横头板固定样品，以便它开始接触样品。

将水浴向上移动，使其中包含样品的盘子浸入水中。输入示例名称和维度，然后开始测试。测试完成后，先将水浴向下移动，然后升起横头板。

取出样品及其碎片（如果有）清洁两个板，并加载新样品。测试所有样本后，导出原始数据。绘制压缩应力与压缩应变曲线，并确定基于 1 到 5% 和 25 至 30% 的基于 CNC 的纳米合成水凝胶油墨的压缩切线模量，显示出一种强烈的非牛顿剪切变薄行为，其明显粘度下降为 5 个数量级。

水凝胶油墨表现出粘弹性固体行为，因为存储模量比低剪切应力下损耗模数大数量级。在1至5%的低应变率下，与无孔隙的参考基架相比，所有类型的多孔基架的压缩模量相似，表明即使存在微孔，水凝胶油墨的弹性性质也保留下来。然而，在25至30%的高应变率下，为无孔隙的参考脚手架获得了最高的模量。

一旦孔径增大，模量会因密度降低而减小，表明脚手架的孔隙度与相应的机械性能之间的预期关系。此外，3D 水凝胶支架的压缩模组随着压缩率的增加而增加，表现出并模仿天然软骨组织的粘弹性。在 3D 打印过程中，油墨的均匀和连续流动是最重要的。

研究人员将采用纳米纤维素水凝胶作为3D可打印平台，将这种方法扩展到其他应用领域。例如，我们已经开发了基于纳米纤维素的杂交种，用于按照相同的程序进行控制药物释放。