3D stampato cellulosa porosa dell'idrogelo Nanocomposite ponteggi
April 24th, 2019
I tre passaggi critici del presente protocollo sono i) sviluppare la giusta composizione e consistenza dell'inchiostro cellulosa idrogel, ii) stampa di ponteggi in vari 3D poro strutture con fedeltà di buona forma e dimensioni e iii) dimostrazione della Proprietà meccaniche in condizioni simulate di corpo per la rigenerazione della cartilagine.
Questo è il primo rapporto sulle impalcature idrogel di nanocellulosa stampate in 3D in cui abbiamo una struttura a poro gradiente e proprietà meccaniche per imitare le strutture naturali come cartilagine. I due principali vantaggi dell'utilizzo delle tecniche di stampa 3D sono la personalizzazione e la libertà di progettazione. Ciò apre un'opportunità illimitata di fabbricare disegni geometrici nuovi e inesplorato.
Questo protocollo è intuitivo e i nuovi arrivati possono facilmente riprodurre i risultati. La scelta del software di affezione e il movimento dell'ugello hanno un impatto significativo sul prodotto finale. Per iniziare, preparare 40 millilitri di inchiostro idrogel mescolando 11% in peso CNC, 6% in peso alginato di sodio e 12% in peso gelatina in un contenitore.
Scaldare la miscela a 40 gradi Celsius e mescolare con una spatola fino a ottenere una pasta liscia. Trasferire la miscela in una siringa da 60 millilitri. Successivamente, con l'aiuto di un morsetto meccanico, passare la miscela attraverso una serie di ugelli con diametri diversi in un'altra siringa da 60 millilitri.
Ripetere il processo fino a ottenere filamenti di inchiostro idrogel estrusi senza intoppi. Centrifugare delicatamente la siringa riempita con l'inchiostro dell'idrogel a 4.000 volte g per rimuovere l'aria intrappolata. Nella scheda SD selezionare i file salvati per impalcature di porosità uniformi e sfumato e iniziare a stampare.
Se necessario, regolare di conseguenza la velocità e la portata. Per collegare l'impalcatura al termine della stampa 3D, aggiungere delicatamente gocce del 3% in peso alla soluzione di cloruro di calcio all'impalcatura fino a quando non diventa completamente bagnata. Aspetta cinque minuti.
Trasferire con molta attenzione l'impalcatura dal letto della stampante a un contenitore da 50 millilitri riempito con soluzione di cloruro di calcio del 3% in peso. Lascialo durante la notte. Lavare accuratamente con acqua distillata e trasferire l'impalcatura in un contenitore da 50 millilitri riempito con soluzione di glutaraldeide del 3% in peso.
Lascialo durante la notte. Lavare accuratamente e conservare l'impalcatura stampata in 3D in acqua distillata. Per i test di compressione, riempire il contenitore dotato di una piastra di base di compressione sommergibile con due litri di acqua e avviare l'impianto di riscaldamento per raggiungere i 37 gradi Celsius.
Inizializzare Bluehill Universal Software e impostare il metodo di test. Selezionate la geometria rettangolare del campione e scegliete l'opzione per immettere le quote prima di testare ogni campione. Impostare la velocità di deformazione su due millimetri al minuto e alla fine del risultato come deformazione di compressione dell'80% insieme alla forza di 90 newton.
Nella sezione Misura (Measurement), selezionate Forza (Force), Spostamento (Displacement), Sollecitazione compressione (Compressive Stress) e Deformazione compressiva (Compressive Strain). Scegliete l'opzione per esportare i dati come file di testo per il plottaggio futuro. Impostare il punto di estensione zero utilizzando i comandi jog per abbassare la piastra della traversa il più vicino possibile alla piastra di base.
Misurare e registrare le dimensioni dei campioni da testare. Quando la temperatura dell'acqua raggiunge i 37 gradi Celsius, posizionare il campione sulla piastra di base. Fissare il campione spostando la piastra della traversa in modo che inizi a toccare il campione.
Spostare il bagno d'acqua verso l'alto in modo che le piastre con il campione tra di loro siano immerse nell'acqua. Immettere il nome e le dimensioni del campione e iniziare il test. Al termine del test, spostare prima il bagno d'acqua verso il basso, quindi sollevare la piastra della traversa.
Rimuovere il campione e i suoi pezzi, se del caso, pulire entrambe le piastre e caricare un nuovo campione. Dopo aver testato tutti i campioni, esportare i dati grezzi. Tracciare le curve di sollecitazione compressiva rispetto alle curve di deformazione compressiva e determinare il modulo tangente compressivo a valori di deformazione da uno a 5% e dal 25 al 30%Inchiostro idrogel nanocomposito basato su CNC mostra un forte comportamento di assottigliamento a taglio non newtoniano con una caduta di cinque ordini di grandezza della viscosità apparente.
L'inchiostro idrogel mostra un comportamento solido viscoelastico, poiché il modulo di stoccaggio è un ordine di grandezza maggiore del modulo di perdita a bassa sollecitazione di taglio. A bassi tassi di deformazione dall'uno al 5%, il modulo compressivo è simile per tutti i tipi di impalcature porose rispetto all'impalcatura di riferimento senza porosità, dimostrando che la natura elastica dell'inchiostro idrogel è preservata anche in presenza dei macropori. Tuttavia, ad alti tassi di deformazione dal 25 al 30%, il modulo più alto si ottiene per l'impalcatura di riferimento senza porosità.
Non appena la dimensione dei pori aumenta, il modulo diminuisce a causa della diminuzione della densità, indicando la relazione prevista tra la porosità delle impalcature e le corrispondenti proprietà meccaniche. Inoltre, il modulo compressivo delle impalcature idrogel 3D aumenta con l'aumentare del tasso di compressione, esibendo e imitando la viscoelasticità dei tessuti cartilaginei naturali. Il flusso omogeneo e continuo dell'inchiostro durante la stampa 3D sono le cose più importanti.
Questo metodo sarà utilizzato dai ricercatori per espandersi in altre aree di applicazione utilizzando l'idrogel di nanocellulosa come piattaforma stampabile in 3D. Ad esempio, abbiamo già sviluppato ibridi a base di nanocellulosa per il rilascio controllato di farmaci seguendo la stessa procedura.
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Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per la creazione di scaffold di idrogel di nanocellulosa stampati in 3D progettati per imitare le proprietà meccaniche e le strutture dei pori della cartilagine naturale. Il protocollo enfatizza la facilità d'uso, permettendo ai ricercatori di personalizzare e fabbricare design geometrici innovativi.
Componenti principali dello studio
Area della scienza
- Tecnologia di stampa 3D
- Biomateriali
- Ingegneria dei tessuti
Sfondo
- La stampa 3D permette la personalizzazione dei design degli scaffold.
- Gli idrogel di nanocellulosa possono imitare le proprietà della cartilagine naturale.
- Il protocollo include specifiche composizioni di materiali per l'inchiostro idrogel.
- Le proprietà meccaniche sono testate in condizioni corporee simulate.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare un protocollo per la stampa 3D di scaffold idrogel.
- Creare scaffold con strutture di pori gradienti.
- Dimostrare le proprietà meccaniche adatte alla rigenerazione della cartilagine.
Metodi utilizzati
- Preparazione dell'inchiostro idrogel utilizzando CNC, alginato di sodio e gelatina.
- Stampa 3D di scaffold con varie strutture di pori.
- Valutazione delle proprietà meccaniche in condizioni corporee simulate.
- Utilizzo di software di slicing e movimento del ugello per la precisione del design.
Principali risultati
- Fabbricazione riuscita di scaffold con buona fedeltà di forma.
- Dimostrazione di proprietà meccaniche che imitano la cartilagine naturale.
- Il protocollo è riproducibile e facile da usare per i principianti.
- Le opzioni di personalizzazione portano a design di scaffold innovativi.
Conclusioni
- Il protocollo sviluppato permette scaffold efficaci per la rigenerazione della cartilagine.
- La stampa 3D offre significativi vantaggi nel design degli scaffold.
- Le future applicazioni potrebbero esplorare ulteriori design geometrici e materiali.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
This method enables the fabrication of patient-specific, structurally tunable hydrogel scaffolds with controlled porosity and mechanical properties, supporting preclinical evaluation of cartilage regeneration strategies. By decoupling ink formulation from printing parameters, it provides a reproducible platform for de-risking biomaterial designs in early discovery. The approach aligns with target validation efforts requiring tunable extracellular matrix mimics to assess chondrogenic potential and functional tissue integration.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of scaffold architecture effects on cell behavior and matrix deposition in cartilage-relevant models.
- Operational Value: Provides a standardized, user-friendly system for generating reproducible pore gradients to reduce variability in preclinical screening.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Supports preparation of validated hydrogel systems for assessing biomaterial-cell interactions under standardized mechanical cues.
- Operational Value: Facilitates assay standardization through precise control of pore size (110–1,100 μm) and compressive modulus (0.20–0.45 MPa) for consistent compound or cell response readouts.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Mimics native cartilage viscoelasticity and gradient porosity, improving predictive confidence in scaffold performance prior to in vivo studies.
- Operational Value: Enables continuity from discovery-scale fabrication to preclinical validation using identical material and process parameters.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by providing a tunable biomaterial platform for hypothesis testing in cartilage tissue engineering, supporting lead identification of bioactive candidates through standardized mechanical and structural presentation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding how pore geometry and stiffness influence chondrocyte phenotype and matrix production.
- Screening: Delivers assay-ready scaffolds with reproducible structural and mechanical outputs for evaluating therapeutic candidates.
- Analytics: Generates quantifiable metrics (compressive modulus, pore distribution) enabling cross-condition comparison and data-driven decisions.
- Translational Research: Aligns with preclinical continuity by producing scaffolds whose mechanical properties match native tissue benchmarks.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular platform adaptable to various cell types and bioactive agents across multiple projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in scaffold-cell interactions through tunable, biomimetic designs.
- Operational Value: Ensures reproducibility and scalability via decoupled ink formulation and printing controls, minimizing batch-to-batch variability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early assessment of structural and mechanical suitability, reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of biomaterial candidates based on defined pore-structure and modulus thresholds.
Implementation Considerations
- Requires expertise in hydrogel formulation, 3D printing optimization, and mechanical testing under physiological conditions.
- Dependent on precision extrusion equipment, slicing software, and calibrated nozzles for consistent filament deposition.
- Necessitates cross-disciplinary alignment between material scientists, bioengineers, and biologists for standardized scaffold production.
- Involves adaptation considerations when translating the protocol to different cell sources or disease models beyond cartilage.
- Limited by the need for post-print crosslinking steps (calcium chloride and glutaraldehyde) that may affect biocompatibility and require thorough washing.
