Drukowane w 3D porowate rusztowania hydrożelowe z celulozy nanokompozytowej

Podsumowanie

Trzy kluczowe kroki tego protokołu to: i) opracowanie właściwego składu i konsystencji tuszu hydrożelowego celulozy, ii) drukowanie 3D rusztowań w różnych strukturach porów z dobrą wiernością kształtu i wymiarów oraz iii) demonstracja właściwości mechanicznych w symulowanych warunkach ciała do regeneracji chrząstki.

Streszczenie

Ta praca demonstruje użycie druku trójwymiarowego (3D) do produkcji porowatych sześciennych rusztowań przy użyciu celulozowego nanokompozytowego tuszu hydrożelowego, o kontrolowanej strukturze porów i właściwościach mechanicznych. Opracowano nanokryształy celulozy (CNC, 69,62% wag.) hydrożelowego tuszu z matrycą (alginian sodu i żelatyna) i wydrukowano je w 3D na rusztowaniach o jednolitej i gradientowej strukturze porów (110-1,100 μm). Rusztowania wykazywały moduł ściskania w zakresie 0,20-0,45 MPa podczas testów w symulowanych warunkach in vivo (w wodzie destylowanej o temperaturze 37 °C). Rozmiary porów i moduł ściskania rusztowań 3D dopasowano do wymagań potrzebnych do zastosowań związanych z regeneracją chrząstki. Praca ta pokazuje, że konsystencja tuszu może być kontrolowana przez stężenie prekursorów, a porowatość może być kontrolowana przez proces drukowania 3D, a oba te czynniki z kolei definiują właściwości mechaniczne porowatego rusztowania hydrożelowego wydrukowanego w 3D. Ta metoda procesowa może być zatem stosowana do wytwarzania rusztowań dostosowanych do potrzeb strukturalnych i składowych zgodnie z konkretnymi potrzebami pacjentów.

Wprowadzenie

Celuloza to polisacharyd składający się z liniowych łańcuchów β (1-4) połączonych jednostek D-glukozy. Jest to najobficiej występujący naturalny polimer na Ziemi i jest pozyskiwany z różnych źródeł, w tym ze zwierząt morskich (np. osłonic), roślin (np. drewna, bawełny, słomy pszennej) i źródeł bakteryjnych, takich jak glony (np. Valonia), grzyby, a nawet ameby (pierwotniaki)^1,2. Nanowłókna celulozy (CNF) i nanokryształy celulozy (CNC) o co najmniej jednym wymiarze w nanoskali otrzymywane są w wyniku obróbki mechanicznej i hydrolizy kwasowej z celulozy. Posiadają nie tylko właściwości celulozy, takie jak potenc....

Protokół

1. Przygotowanie prekursorów

1. Przygotowanie zawiesiny nanokryształów celulozy
   UWAGA: Izolacja nanokryształów celulozy odbywa się zgodnie z procedurą opisaną przez Mathew, et al³⁰.
   1. Rozcieńczyć 17% wag. zawiesinę nanokryształów celulozy do 2% wag., dodając wodę destylowaną, aby uzyskać całkowitą objętość 2 l. Dokładnie wymieszać za pomocą ultrasonizacji i użyć mniejszych partii (250-300 ml) w celu wydajnego mieszania.
   2. Przepuścić sonifikowaną zawiesinę przez homogenizator 10 razy pod ciśnieniem 500-600 barów. W tym momencie otrzymuje się gęsty przezroczysty żel składający się z 2% wagowych nanokryształów ce....

Wyniki

Atrament do hydrożelu nanokompozytowego na bazie CNC wykazuje silne nienewtonowskie zachowanie rozrzedzania ścinaniem (Rycina 2a). Lepkość pozorna wynosząca 1,55 × 10⁵ Pa.s przy niskiej szybkości ścinania (0,001 s^-1) spada o pięć rzędów wielkości do wartości 22,60 Pa.s przy szybkości ścinania 50 s^-1 (≈50 s^-1 jest typową szybkością ścinania występującą podczas druku 3D)³¹. Atrament hydrożelowy wykazuje zachow.......

Dyskusja

Druk 3D wymaga odpowiednich właściwości reologicznych tuszu hydrożelowego. Atrament o wysokiej lepkości będzie wymagał ekstremalnych ciśnień do jego wytłaczania, podczas gdy atrament o niskiej lepkości nie zachowa swojego kształtu po wytłaczeniu. Lepkość tuszu hydrożelowego można kontrolować poprzez stężenie składników. W porównaniu z naszą poprzednią pracą¹¹, zawartość ciała stałego w tuszu hydrożelowym została zwiększona z 5,4 do 9,9% wag., co skutkuje skoncentrowanym tuszem hydrożelowym, który .......

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Strzykawka 60 ml	StrukturaDruk 3D Sól
sodowa kwasu alginowego	Sigma-Aldrich	9005-38-3
Bezwodny chlorek wapnia	Sigma-Aldrich	10043-52-4
Zaciski, trójzębne, Talon	VWR	241-0404	102 mm, Zacisk z podwójną regulacją, duży, przedłużenie zacisku 127 mm
Cura 2.4.0	Ultimaker		Darmowe oprogramowanie do krojenia
Discov3ry Complete	StructurDruk 3D Drukarka		3D Ultimaker 2+ zintegrowana z wytłaczarką do pasty Discov3ry
Żelatyna ze skóry bydlęcej	Sigma-Aldrich	9000-70-8
Roztwór aldehydu glutarowego 50 % wag. % w H2O	Homogenizator Sigma-Aldrich	111-30-8
	SPX	APV-2000
Instron 5960	Instron		Instron 5960, Biopuls Bath, czujnik tensometryczny 100 N, 37 &;
C,Reometr Physica MCR 301	Anton Paar		CP25-2-SN7617, wysokość szczeliny 0,05 mm, 25 ° C
Wirówka Sorvall Lynx 6000	AB Ninolab	s/n 41881692	F12-rotor (6x500 ml)
dysza ze stali nierdzewnej	StructurDruk		800, 600 i 400 &mikro; m
rzeczy odwrócone	MakerBot's		udostępnianie i pobieranie rzeczy do druku 3D w postaci plików stl
ultra sonikacja	Qsonica, LLC	Q500
Nieokorowane zrębki	Świerk pospolity (Picea abies)		zawartość suchej masy 50– 55%

3D drzewne