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Bioengineering

3 डी मुद्रित सरंध्र सेलुलोस नैनोकंपोजिट हाइड्रोजेल पाड़

Published: April 24, 2019 doi: 10.3791/59401
Automatic Translation
1, 1
1Department of Materials and Environmental Chemistry, Stockholm University

Summary

इस प्रोटोकॉल के तीन महत्वपूर्ण कदम मैं कर रहे हैं) सही संरचना और सेलुलोस हाइड्रोजेल स्याही की निरंतरता का विकास, द्वितीय) अच्छा आकार निष्ठा और आयाम और तृतीय के साथ विभिंन ताकना संरचनाओं में scaffolds के 3 डी मुद्रण) के प्रदर्शन उपास्थि उत्थान के लिए कृत्रिम शरीर की स्थिति में यांत्रिक गुण.

Abstract

यह काम तीन आयामी (3 डी) के उपयोग को प्रदर्शित करता है के लिए सरंध्र घन पाड़ का उपयोग करने के लिए, नियंत्रित ताकना संरचना और यांत्रिक गुणों के साथ सेलुलोस नैनोकोमोसाइट हाइड्रोजेल स्याही का प्रयोग । सेलुलोस नैनोक्रिस्टल (CNCs, ६९.६२ wt%) आधारित हाइड्रोजेल स्याही मैट्रिक्स (सोडियम alginate और जिलेटिन) के साथ विकसित किया गया था और 3 डी वर्दी और ढाल ताकना संरचना (110-1100 μm) के साथ scaffolds में छपी । Scaffolds 0.20-0.45 MPa की सीमा में संपीड़न मापांक दिखाया जब vivo में की स्थिति में परीक्षण (३७ डिग्री सेल्सियस पर आसुत जल में) । ताकना आकार और 3 डी scaffolds के संपीड़न मादांक उपास्थि उत्थान अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक आवश्यकताओं के साथ मिलान किया । यह काम दर्शाता है कि स्याही की निरंतरता के पूर्वगामी और सरंध्रता की एकाग्रता द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है 3 डी मुद्रण प्रक्रिया द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है और बदले में इन कारकों के दोनों 3 डी मुद्रित छिद्रिल के यांत्रिक गुणों को परिभाषित करता है हाइड्रोजेल पाड़ । इस प्रक्रिया विधि इसलिए संरचनात्मक रूप से और compositionally अनुकूलित scaffolds रोगियों की विशिष्ट जरूरतों के अनुसार बनाना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

Introduction

सेलुलोस एक पॉलीसैकेराइड होता है, जिसमें β (1-4) की रैखिक शृंखलाओं से जुड़े डी-ग्लूकोज एकक होते हैं । यह पृथ्वी पर सबसे प्रचुर मात्रा में प्राकृतिक बहुलक है और स्रोतों की एक किस्म से निकाला जाता है, समुद्री जानवरों (जैसे, tunicates), पौधों (जैसे, लकड़ी, कपास, गेहूं के भूसे), और जैसे शैवाल (जैसे, Valonia), कवक, और यहां तक कि अमीबा (प्रोटोजोए )1,2. सेलुलोस नैनोफाइबर (सीएनएफ) और सेल्युलोज नैनोक्रिस्टल (सीएनसी) के साथ सेलुलोस से यांत्रिक उपचारों और अम्लीय हाइड्रोलिसिस के माध्यम से नैनोस्केल पर कम से एक आयाम प्राप्त किया जाता है । वे न केवल सेल्युलोज के गुणों के अधिकारी, जैसे रासायनिक संशोधन के लिए संभावित, कम विषाक्तता, biocompatibility, biodegradable और नवीकरणीय, लेकिन यह भी उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र, उच्च यांत्रिक गुणों की तरह nanoscale विशेषताओं है , रियोलॉजिकल और ऑप्टिकल गुण । इन आकर्षक संपत्तियों सीएनएस और जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त cnfs बनाया है, 3 के रूप में मुख्य रूप से आयामी (3 डी) हाइड्रोजेल scaffolds3। इन scaffolds नियंत्रित ताकना संरचना और परस्पर porosity के साथ अनुकूलित आयामों की आवश्यकता है । हमारे समूह और अन्य लोगों को कास्टिंग, इलेक्ट्रोस्पिनिंग और फ्रीज-सुखाने4,5,6,7,8के माध्यम से तैयार 3 डी सरंध्र सेलुलोस नैनोकंपोजिट की सूचना दी है । हालांकि, इन पारंपरिक तकनीकों के माध्यम से ताकना संरचना और जटिल ज्यामिति के निर्माण पर नियंत्रण हासिल नहीं है ।

3D प्रिंटिंग एक एडिटिव निर्माण तकनीक है, जिसमें 3 डी वस्तुओं को इंक9के कंप्यूटर-नियंत्रित जमाव के माध्यम से परत द्वारा परत बनाया जाता है । पारंपरिक तकनीकों पर 3D मुद्रण के लाभों में डिज़ाइन स्वतंत्रता, नियंत्रित मैक्रो और माइक्रो आयाम, जटिल आर्किटेक्चर, अनुकूलन और पुनरुद्देयशीलता का निर्माण शामिल है ।  इसके अलावा, cnfs और cnfs के 3d प्रिंटिंग में नैनोकणों, पसंदीदा दिशात्मकता, ढाल सरंध्रता के अपरूपण-प्रेरित संरेखण भी प्रदान किए जाते हैं और यह10,11,12, 3 डी बायोक्रिटिंग को आसानी से विस्तारित किया जा सकता है । 13 , 14 , 15. हाल ही में, 3 डी मुद्रण के दौरान cncs संरेखण की गतिशीलता रिपोर्ट किया गया है16,17। बायोप्रिंटिंग के क्षेत्र में अग्रिमों 3 डी मुद्रित ऊतकों और अंगों को सक्षम किया है जैसे कि पसंद और जीवित कोशिकाओं की एकाग्रता और वृद्धि कारकों, वाहक स्याही, मुद्रण दबाव और नोक व्यास के संयोजन के रूप में शामिल चुनौती के बावजूद18 ,19,20.

सरंध्रता और उपास्थि पुनर्योजी scaffolds के संपीडन शक्ति महत्वपूर्ण गुण है कि अपनी क्षमता और प्रदर्शन तय कर रहे हैं । रंध्र आकार आसंजन के लिए एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, भेदभाव, और कोशिकाओं के प्रसार के रूप में के रूप में अच्छी तरह से पोषक तत्वों और चयापचय अपशिष्ट21के आदान प्रदान के लिए । हालांकि, वहां कोई निश्चित ताकना आकार है कि एक आदर्श मूल्य के रूप में माना जा सकता है, कुछ अध्ययनों छोटे pores के साथ उच्च bioactivity दिखाया जबकि दूसरों को बड़ा pores के साथ बेहतर उपास्थि उत्थान दिखाया । Macropores (< 500 μm) ऊतक खनिजीकरण, पोषक तत्वों की आपूर्ति और अपशिष्ट हटाने की सुविधा जबकि micropores (150-250 μm) सेल लगाव और बेहतर यांत्रिक गुण22,23की सुविधा । प्रत्यारोपित पाड़ से निपटने के समय से पर्याप्त यांत्रिक अखंडता है, रोपण और अपने वांछित उद्देश्य के पूरा होने तक होगा । प्राकृतिक संधिउपास्थि के लिए कुल संपीडन मापांक की आयु, लिंग और परीक्षण स्थान के आधार पर 0.1-2 mpa की श्रेणी में होने की सूचना दी गई है4,24,25,26,27 ,28,29.

हमारे पिछले काम11में, 3 डी प्रिंटिंग के लिए एक डबल crosslinked interpenetrating बहुलक नेटवर्क (ipn) एक हाइड्रोजेल स्याही सोडियम alginate और जिलेटिन के एक मैट्रिक्स में प्रबलित cncs युक्त से छिद्रिल bioscaffolds का इस्तेमाल किया गया था । 3D प्रिंटिंग मार्ग को एकसमान और ग्रैडिएंट ताकना संरचनाओं (80-2125 μm) के साथ 3D पाड़ को प्राप्त करने के लिए ऑप्टिमाइज़ किया गया था, जहां नैनोक्रिस्टल, अधिमानतः मुद्रण दिशा में ओरिएंट (61-76%) के बीच अभिविन्यास की डिग्री है । यहाँ, हम इस काम की निरंतरता पेश करते हैं और कृत्रिम शरीर की स्थिति में 3 डी मुद्रित हाइड्रोजेल scaffolds के यांत्रिक गुणों पर सरंध्रता के प्रभाव को दर्शाता है । CNCs यहां इस्तेमाल किया, पहले हमारे द्वारा करने के लिए साइटोसंगत और गैर विषैले (यानी, सेल वृद्धि के 15 दिनों के बाद ऊष्मायन की पुष्टि की गई थी की सूचना थी30) । इसके अलावा, मचान फ्रीज के माध्यम से तैयार-एक ही cncs का उपयोग कर सुखाने, सोडियम alginate और जिलेटिन उच्च porosity दिखाया, उच्च फॉस्फेट बफर नमकीन और cytocompatibility के तेज मध्योतक स्टेम कोशिकाओं की ओर5। इस काम के लक्ष्य को हाइड्रोजेल स्याही प्रसंस्करण, सरंध्र scaffolds के 3 डी मुद्रण और संपीड़न परीक्षण का प्रदर्शन है । Schematics प्रसंस्करण मार्ग चित्रा 1में दिखाया गया है ।

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Protocol

1. पूर्ववर्ती की तैयारी

  1. सेलुलोस नैनोक्रिस्टल की तैयारी निलंबन
    नोट: सेल्युलोज नैनोक्रिस्टल का अलगाव मैथ्यू, एट अल30द्वारा रिपोर्ट की गई प्रक्रिया के अनुसार किया जाता है ।
    1. पतला करने के लिए 2 L. मिश्रण की कुल मात्रा को अच्छी तरह से अल्ट्रा sonication का उपयोग कर और कुशल मिश्रण के लिए छोटे बैचों (250-300 मिलीलीटर) का उपयोग करें ।
    2. 500-600 बार के दबाव में homogenizer के माध्यम से sonified निलंबन पास 10 बार । इस बिंदु पर, 2 wt% सेल्युलोज नैनोक्रिस्टल का एक मोटी पारदर्शी जेल प्राप्त की है ।
    3. ध्यान केंद्रित 2 wt% सेलुलोस nanocrystals जेल से 11 wt% करने के लिए २४,५०० x g पर केंद्रागटन के माध्यम से १.५ h. decant पानी के बीच में बाहर हर 30 मिनट के लिए ।
      नोट: प्रयोग यहां रोका जा सकता है ।
  2. मैट्रिक्स चरणों की तैयारी
    1. 6 wt% सोडियम alginate (SA) के सजातीय समाधान ६० डिग्री सेल्सियस पर आसुत जल में निरंतर क्रियाशीलता के तहत तैयार ।
    2. ६० डिग्री सेल्सियस पर आसुत जल में 12 wt% जिलेटिन (जेल) के सजातीय समाधान सतत क्रियाशीलता के तहत तैयार ।
      नोट: मैट्रिक्स समाधान और फ्रिज में स्टोर करने के लिए 20 मिलीलीटर की एक मात्रा तैयार करें ।
  3. Crosslinkers की तैयारी
    1. लगातार क्रियाशीलता के तहत कमरे के तापमान पर आसुत जल में 3 wt% कैल्शियम क्लोराइड का समाधान तैयार करें ।
    2. लगातार क्रियाशीलता के तहत कमरे के तापमान पर आसुत पानी में 3 wt% ग्लूटाल्डिहाइड का घोल तैयार करें ।
      नोट: crosslinking समाधान और कमरे के तापमान में स्टोर करने के लिए ५० मिलीलीटर की एक मात्रा तैयार करें । विक्रेता जानकारी के लिए सामग्री की तालिका देखें । यहां प्रयोग को रोका जा सकता है ।

2. हाइड्रोजेल स्याही की तैयारी

  1. 11 wt% सीएनसी, 6 wt% SA और 12 wt% जेल मिश्रण द्वारा एक polystyrene कंटेनर में हाइड्रोजेल स्याही के ४० मिलीलीटर तैयार एक गीला (wt%) सीएनसी/एसए/जेल/जल की संरचना: 6.87/1.50/1.50/90.12 ।
  2. ४० ° c करने के लिए मिश्रण गर्मी और एक चिकनी पेस्ट प्राप्त होता है जब तक एक रंग के साथ मिश्रण ।
  3. एक ६० मिलीलीटर सिरिंज में मिश्रण हस्तांतरण । यांत्रिक दबाना की मदद से एक और ६० मिलीलीटर सिरिंज में विभिन्न व्यास के साथ नलिका की एक श्रृंखला के माध्यम से मिश्रण गुजरती हैं । इस प्रक्रिया को दोहराएं जब तक कि हाइड्रोजेल स्याही के सुचारू रूप से extruded तंतु प्राप्त कर रहे हैं । ८०० μm के सबसे बड़े व्यास के साथ नोक के साथ शुरू, ६०० μm और ४०० μm द्वारा पीछा किया ।
  4. धीरे से अपकेंद्रित्र (४,००० x ग्राम) हाइड्रोजेल स्याही से भरा सिरिंज फंस हवा को हटाने के लिए ।
    नोट: प्रयोग यहां रोका जा सकता है ।

3. हाइड्रोजेल के रियोलॉजिकल गुणों की माप

NTE: एक चिकनी शंकु पर प्लेट ज्यामिति, CP25-2-SN7617, व्यास 25 मिमी, 2 ° नाममात्र का कोण और अंतर ऊंचाई ०.०५ मिमी का उपयोग करके रियोलॉजिकल गुण प्रदर्शन 25 डिग्री सेल्सियस ।

  1. रियोमीटर, हवा कंप्रेसर और तापमान नियंत्रण बॉक्स पर मुड़ें । सॉफ़्टवेयर को इनिशियलाइज़ ।
  2. रियोमीटर में मापक यंत्र को माउंट करें और जीरो गैप सेट करें ।
  3. हाइड्रोजेल इंक के लगभग 1 मिलीलीटर को रियोमीटर प्लेटफार्म पर बाहर निकालना ।
  4. अपरूपण दर के एक समारोह के रूप में चिपचिपापन उपाय । ०.००१ से १,००० के लिए कतरनी दर सीमा का चयन करें ।
  5. माप के बाद किया जाता है, रियोमीटर मंच और मापने के उपकरण को साफ । रियोमीटर प्लेटफार्म पर एक बार फिर से ताजा हाइड्रोजेल इंक को बाहर निकालना ।
  6. 1 भ््र की आवृत्ति पर अपरूपण प्रतिबल के फलन के रूप में भंडारण मॉड्यूली (ळ ′) तथा हानि मॉड्यूली (ळ) को मापें । 103 से 107के लिए कतरनी तनाव सीमा का चयन करें ।
  7. एक बार परीक्षण पूरा कर रहे हैं, पाठ फ़ाइल में डेटा की प्रतिलिपि बनाएं और लघुगणकीय स्केल में प्लॉट rheological घटता ।

4.3D प्रिंटिंग के लिए फाइल तैयारी

नोट: Cura 2.4.0 सॉफ्टवेयर 3D scaffolds (20 मिमी3) pores के तीन प्रकार होने के डिजाइन के लिए प्रयोग किया जाता है । 1-०.६ मिमी के एकसमान रंध्र, १.० मिमी के 2-एकसमान छिद्र तथा 0ण्5-1 उउ परास के 3-ढाल रंध्र ।

  1. Thingsinverse.com से एक ठोस घन के स्टीरियोलिथोग्राफी (stl) फ़ाइल डाउनलोड करें और cura में फ़ाइल खोलें ।
  2. भारित मॉडल पर क्लिक करें और इसे X/Y/z: 0/0/0 mm करने के लिए ले जाएं स्केलपर क्लिक करें, वर्दी स्केलिंग के लिए बॉक्स को अनचेक करें और आयाम सेट करने के लिए एक्स ४५ 20/20/20/
  3. साइड पैनल में, नोजल &Amp; सामग्रीमें, ०.४ mm का चयन करें और प्रोफ़ाइल चिपकाएं । प्रिंटर के रूप में पूर्ण Discov3ry का चयन करें ।
  4. पार्श्व फलक में, मुद्रण सेटअपके लिए कस्टम का चयन करें । गुणवत्ता अनुभाग के अंतर्गत, सभी उप अनुभागों के लिए ०.२ mm दर्ज करें । शेल अनुभाग के अंतर्गत, सभी उप अनुभागों के लिए 0 mm दर्ज करें । सामग्री अनुभाग के अंतर्गत, तापमान, 1 मिमी व्यास और १००% प्रवाह के लिए 26 डिग्री सेल्सियस दर्ज करें । के तहत स्पीड अनुभाग, दर्ज करें 30 mm/s के रूप में मुद्रण की गति और १२० mm/s यात्रा की गतिके रूप में । समर्थन अनुभाग के अंतर्गत, समर्थन सक्षमकरने के लिए बॉक्स को अनचेक करें । निर्माण प्लेट आसंजन अनुभाग के तहत, स्कर्टका चयन करें, स्कर्ट दूरी के रूप में 3 मिमी और स्कर्ट के रूप में १५० मिमी /
  5. समान पोर आकार के साथ scaffolds के लिए, दर्ज करें ०.६ या 1 मिमी Infill लाइन दूरी और चुनें ग्रिड infill पैटर्न।
  6. ग्रैडिएंट सरंध्रता पाड़ के लिए, विलय और समूहन उपकरण का प्रयोग किया जाता है । लोड मॉडल पर दायां क्लिक करें, एकाधिक मॉडलचुनें, 2 दर्ज करें और ठीकदबाएं । स्केल प्रत्येक मॉडल के रूप में X/Y/Z: 20/20/7 mm । मॉडल एक दूसरे के शीर्ष पर रखें । नीचे, मध्य और शीर्ष मॉडल, क्रमशः के लिए ०.३, ०.५ और ०.७ मिमी के रूप में Infill लाइन दूरी दर्ज करें । सभी तीन मॉडलों का चयन करें (Ctrl + A), दायां क्लिक करें और समूह मॉडलक्लिक करें ।
  7. सुनिश्चित डिजिटल (SD) कार्ड पर मॉडल सहेजें । Cura स्वचालित रूप से फ़ाइल को gcode है कि प्रिंटर द्वारा पढ़ा है के रूप में सहेजें ।

5.3 डी मुद्रण सरंध्र scaffolds

  1. नोक धारक में स्थानांतरण ट्यूब डालें और इसे करने के लिए ४०० μm नोक कनेक्ट । बिल्ड प्लेट और नोजल के बीच सही दूरी पाने के लिए बिल्ड प्लेट को लेवल करें ।
  2. कारतूस में अपकेंद्री सिरिंज लोड और स्थानांतरण ट्यूब के दूसरे पक्ष से कनेक्ट ।
  3. प्रिंटर में एसडी कार्ड डालें, का चयन करें तेजी से शुद्ध और हाइड्रोजेल स्याही मिटाने शुरू जब तक यह नोजल से बाहर निकालना करने के लिए शुरू होता है । 2-3 मिनट के लिए एक सजातीय प्रवाह प्राप्त करने के लिए मिटाने जारी है ।
  4. एसडी कार्ड से, वर्दी और ढाल सरंध्रता पाड़ के लिए बचाया फ़ाइलों का चयन करें और मुद्रण शुरू करते हैं । एक्सट्रूज़न रेट पर नजर रखें । यदि आवश्यक हो, गति और प्रवाह की दर तदनुसार समायोजित करें । छोटे पोर आकार के लिए, तेजी से कम प्रवाह दर के साथ संयुक्त गति का उपयोग करें (५० mm/s और ७०%) ।
    नोट: 3 डी मुद्रित scaffolds स्पर्श नहीं है ।

6.3 डी मुद्रित scaffolds के crosslinking

  1. 3 डी मुद्रण पूरा होने के बाद, धीरे से पाड़ के लिए 3 wt% CaCl2 की बूंदों जोड़ें जब तक यह पूरी तरह से गीला हो जाता है । 5 मिनट के लिए रुको ।
  2. बहुत ध्यान से एक ५० मिलीलीटर 3 wt% CaCl2के साथ भरा कंटेनर को प्रिंटर से पाड़ हस्तांतरण । इसे रातभर छोड़ दें ।
  3. आसुत पानी के साथ अच्छी तरह से धोने और एक ५० मिलीलीटर 3 wt% glutaraldehyde से भरा कंटेनर को पाड़ हस्तांतरण । इसे रातभर छोड़ दें ।
  4. अच्छी तरह से धोने और आसुत पानी में 3 डी मुद्रित पाड़ की दुकान ।

7. संपीड़न परीक्षण

नोट: ३७ डिग्री सेल्सियस पर पानी में १०० N लोड सेल के साथ संपीड़न परीक्षण करते हैं ।

  1. पानी की 2 L के साथ पनडुब्बी संपीड़न आधार प्लेट के साथ सुसज्जित कंटेनर भरें और हीटिंग सिस्टम ३७ डिग्री सेल्सियस तक पहुँचने के लिए शुरू करते हैं ।
  2. प्रारंभ Bluehill यूनिवर्सल सॉफ्टवेयर और परीक्षण विधि की स्थापना की । आयताकार नमूना ज्यामिति का चयन करें और प्रत्येक नमूने के परीक्षण से पहले आयाम दर्ज करने के लिए विकल्प चुनें ।  2 मिमी/मिनट के लिए तनाव दर सेट और परिणाम के अंत के रूप में ८०% संपीडन तनाव एक साथ ९० N बल के साथ ।
  3. माप अनुभाग में, बल, विस्थापन, संपीडन तनाव और संपीडन तनाव का चयन करें । भविष्य प्लॉटिंग के लिए पाठ फ़ाइलों के रूप में डेटा निर्यात करने के लिए विकल्प चुनें ।
  4. शून्य विस्तार बिंदु बेस प्लेट के लिए संभव के रूप में बंद के रूप में crosshead प्लेट कम करने के लिए जोग नियंत्रण का उपयोग करके सेट करें ।
  5. उपाय और परीक्षण किया जा करने के लिए नमूनों के आयामों को ध्यान दें.
  6. जब पानी का तापमान ३७ ° c तक पहुंचता है, तो बेस प्लेट पर नमूना रखें ।  क्रॉशेड प्लेट को ले जाकर नमूना सुरक्षित करें ताकि वह नमूने को छूने लगे ।
  7. जल स्नान ऊपर ले जाएं, ताकि उन दोनों के बीच में नमूना के साथ प्लेटें पानी में डूब रहे हैं ।
  8. नमूना नाम और आयाम दर्ज करें । परीक्षण प्रारंभ करें ।
  9. परीक्षण के पूरा होने के बाद, पहले पानी स्नान नीचे ले जाएं और फिर crosshead प्लेट बढ़ा ।
  10. नमूना और उसके टुकड़े, यदि कोई हो, दोनों प्लेटों को साफ और एक नया नमूना लोड निकालें ।
  11. सभी नमूनों के परीक्षण के बाद, कच्चे डेटा निर्यात । प्लॉट संपीडन तनाव बनाम संपीडन तनाव घटता है और 1-5% और 25-30% के तनाव मूल्यों पर संपीडन स्पर्शज्या मापांक निर्धारित करते हैं ।
    नोट: ग्रैडिएंट क्यूब को इस प्रकार रखें कि बड़े छिद्र स्टेशनरी बेस प्लेट का सामना करें ।
    पहले पकड़ के बीच में पाड़ सुरक्षित और फिर शुरू/

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Representative Results

सीएनसीएस आधारित नैनोकंपोजिट हाइड्रोजेल इंक एक मजबूत गैर-न्यूटनी कतरनी thinning व्यवहार से पता चलता है (चित्रा 2ए). एक कम कतरनी दर (०.००१ s-1) पर १.५५ × 105 Pa. एस का स्पष्ट चिपचिपापन ५० एस-1 (≈ ५० एस-1 के एक ठेठ कतरें दर 3 डी प्रिंटिंग के दौरान अनुभव किया जा रहा है) २२.६० Pa. एस के एक मूल्य के लिए परिमाण के पांच आदेश द्वारा बूंदें . हाइड्रोजेल स्याही एक श्यानप्रत्यास्थ ठोस व्यवहार को दर्शाती है, के रूप में भंडारण मापांक जी ' (४.४२ × 107 फिलीस्तीनी अथॉरिटी) के परिमाण के एक आदेश से अधिक नुकसान गुणांक ' जी ' (८.२६ × 106 फिलीस्तीनी अथॉरिटी) कम कतरनी तनाव में, के साथ एक अच्छी तरह से परिभाषित गतिशील उपज तनाव मूल्य (जी ' = जी ' ') के ५.५९ × 104 पीए (चित्रा 2बी) । 3 डी मुद्रित छिद्रिल नैनोकंपोजिट हाइड्रोजेल पाड़ चित्र 3में दिखाया गया है । सभी मुद्रित scaffolds के लिए, आकार और आयाम बहुत अच्छी तरह से मुद्रण के बाद के रूप में के रूप में अच्छी तरह से डबल crosslinking के बाद बनाए रखा है । Scaffolds के ताकना आकार, 110-1100 μm, 100-400 μm कि उपास्थि पुनर्जनन३२के लिए एक बेंचमार्क माना जाता है की सीमा में हैं ।

3 डी मुद्रित scaffolds संपीड़न मोड में परीक्षण किया गया । यह उपास्थि सामग्रियों के लिए यांत्रिक परीक्षण का पसंदीदा मोड है क्योंकि प्राकृतिक उपास्थि की भूमिका संपीड़न में भार वहन करने के लिए है । में vivo शर्तों की नकल करने के लिए, scaffolds ३७ डिग्री सेल्सियस पर पानी में परीक्षण किया गया । तालिका 1 और चित्र 4a , 2 mm/min की विकृति दर पर विभिन्न छिद्रित नैनोकंपोजिट हाइड्रोजेल पाड़ के लिए प्राप्त संपीडन डेटा का प्रतिनिधित्व करता है । कम तनाव दरों पर (1-5%), संपीडन मापांक (~ ०.१७ mpa) के सभी प्रकार के छिद्रक पाड़ के लिए कम या ज्यादा समान है । इससे पता चलता है कि बृहत्रंध्र की उपस्थिति में भी हाइड्रोजेल स्याही की लोचदार प्रकृति को संरक्षित रखा जाता है । तथापि, उच्च विकृति दर पर (25-30%), ०.४५ MPa के उच्चतम मापांक नहीं porosity के साथ संदर्भ पाड़ के लिए प्राप्त की है । हालांकि, जैसे ही ताकना आकार बढ़ जाता है, मापांक के रूप में कम हो जाती है, घनत्व में कमी के कारण scaffolds के सरंध्रता और इसी यांत्रिक गुणों के बीच संबंधों की उंमीद का संकेत है । ढाल छिद्रिल पाड़ के मामले में, मापांक (०.३४ एमपीए) एक समान है और छोटे पोर आकार और अधिक ठोस दीवारों की उपस्थिति की वजह से (०.२० और ०.२६ MPa) वर्दी छिद्रिल पाड़ की तुलना में अधिक है । इसके अलावा, संपीड़न दर बढ़ जाती है (चित्रा 4बी), प्रदर्शन और प्राकृतिक उपास्थि ऊतकों कि लोड के लिए अनुकूल माना जाता है की viscoelasticity नकल उतार के रूप में 3 डी हाइड्रोजेल scaffolds के संपीडन मापीलस बढ़ जाती है असर scaffolds३३। 2 मिमी/न्यूनतम की विकृति दर पर ०.२० एमपीए का संपीडन मापांक 5 मिमी/न्यूनतम पर ०.३५ एमपीए तक बढ़ जाता है और १२० मिमी/न्यूनतम पर ०.४७ एमपीए तक बढ़ जाता है और यह प्राकृतिक उपास्थि (अर्थात् 0.1-2 एमपीए के संपीडन मापांक) के लिए सूचित रेंज में है ।

Figure 1
चित्रा 1 . प्रसंस्करण मार्ग की schematics । (क) नैनोकम्पोजिट हाइड्रोजेल इंक तैयार करना । (ख) 3d प्रिंटिंग सरंध्र पाड़ । (ग) 3डी प्रिंटेड पाड़ के डबल क्रॉलिंकिंग । (घ) 3 डी सरंध्र पाड़ के संपीड़न परीक्षण ३७ डिग्री सेल्सियस पर पानी में । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2 . लॉग – नैनोकम्पोजिट हाइड्रोजेल इंक का लॉग प्लॉट्स । (ए) चिपचिपाहट बनाम कतरनी दर और (ख) जी ' और जी ' बनाम कतरनी तनाव । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3 . 3 डी मुद्रित सरंध्र scaffolds । पैमाने: ५०० μm. (क) कोई छेद के साथ संदर्भ । (ख) 1 मिमी रंध्र आकार । (ग) ०.६० मिमी रंध्र आकार । (घ) प्रवणता सरंध्रता 110-800 μm इस संख्या का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4 . प्रतिनिधि तनाव-तनाव घटता 3D मुद्रित सरंध्र नैनोकंपोजिट हाइड्रोजेल पाड़ के लिए । (क) 2 मिमी की स्थिर विकृति दर पर (ख) 1 एमएम पोर आकार के पाड़ के लिए विभिन्न स्ट्रेन दरों पर । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

लक्ष्य पोर आकार (μm) औसत ताकना आकार (μm) 1-5% विकृति (एमपीए) पर संपीडन मापांक 25-30% विकृति (एमपीए) पर संपीडन मापांक
संदर्भ 0 ०.१९ ± ०.०४ ०.४५ ± ०.०३
१,००० 850-1100 ०.१७ ± ०.०२ ०.२ ± ०.०१
६०० 480-650 ०.१६ ± ०.०१ ०.२६ ± ०.०५
ग्रैडिएंट 110-800 ०.१६ ± ०.०१ ०.३४ ± ०.०४

तालिका 1. 3 डी मुद्रित नैनोकंपोजिट हाइड्रोजेल पाड़ के लिए संपीड़न डेटा ।

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Discussion

3डी प्रिंटिंग के लिए हाइड्रोजेल इंक के उपयुक्त रियोलॉजिकल गुण की आवश्यकता होती है । उच्च चिपचिपापन स्याही इसके बाहर निकालना के लिए चरम दबाव की आवश्यकता होगी, जबकि कम चिपचिपापन स्याही बाहर निकालना के बाद अपनी आकृति को बनाए रखने नहीं होगा । हाइड्रोजेल इंक के चिपचिपापन को अवयवों की सांद्रता के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है । हमारे पिछले काम11की तुलना में, हाइड्रोजेल स्याही की ठोस सामग्री ५.४ से वृद्धि हुई है ९.९ wt% केंद्रित हाइड्रोजेल स्याही जो मुद्रित पाड़ के संकल्प में सुधार करने में मदद करता है जिसके परिणामस्वरूप । यह उल्लेखनीय है कि, लंबे समय लचीला CNFs के विपरीत, Cnfs की तरह कठोर छड़ी एक दी चिपचिपाहट शारीरिक entanglements14की अनुपस्थिति के कारण पर उच्च ठोस सामग्री के साथ स्याही का उत्पादन कर सकते हैं । एक अंय महत्वपूर्ण पहलू है कि printability को प्रभावित स्याही की एकरूपता है । यह नोट किया गया था कि ४० डिग्री सेल्सियस के तापमान पर हाइड्रोजेल स्याही हीटिंग मैट्रिक्स चरण के साथ सीएनएस के सजातीय मिश्रण को बढ़ावा देता है । आगे हाइड्रोजेल स्याही की चिकनाई सुनिश्चित करने के लिए, यह नलिका की एक श्रृंखला के माध्यम से पारित किया गया था, ८०० μm की सबसे बड़ी व्यास के साथ शुरू, तो ६०० μm और अंत में ४०० μm । इन गुजरता के दौरान, नोक भरा हो सकता है जो बड़ी गांठ की presences इंगित करता है लेकिन इन के बाद एक सतत फिलामेंट के रूप में अनायास हाइड्रोजेल स्याही extruded गुजरता है । नोक आंदोलन 3 डी मुद्रित constructs प्राप्त करने के लिए भी बहुत महत्व के रूप में हमारे पिछले काम11द्वारा संकेत दिया है । नोजल मार्ग दोहरावदार आंदोलनों और हाइड्रोजेल स्याही के अतिरिक्त निभाई ताकि 3 डी प्रिंट का संकल्प संरक्षित है से बचना चाहिए ।

3 डी मुद्रित हाइड्रोजेल scaffolds में प्राप्त सरंध्रता स्वीकार्य सीमा में है के रूप में लक्षित सरंध्रता (तालिका 1) की तुलना में है । हाइड्रोजेल इंक की सूजन की प्रकृति के कारण एक सटीक मिलान की उम्मीद नहीं की जा सकती ।  हाइड्रोजेल स्याही की निरंतरता एक महत्वपूर्ण कारक है, खासकर जब पूर्व सीटू crosslinking किया जाना है, 3 डी निर्माण के मुद्रण के बाद crosslinking अर्थात् । यह ध्यान दिया गया था कि हाइड्रोजेल स्याही पर्याप्त ध्यान केंद्रित किया गया था (९.९ wt के ठोस सामग्री%) मुद्रण प्रक्रिया के दौरान और उसके बाद अपनी आकृति, संरचना और आयामों को बनाए रखना ।

पाड़ के पोर आकार सेल बातचीत में एक आवश्यक भूमिका निभाता है, ऑक्सीजन प्रसार और कचरे को हटाने के साथ अपने यांत्रिक गुणों के साथ प्रदर्शन करने के लिए और वांछित कार्यशीलता का समर्थन । ग्रैडिएंट सरंध्रता के साथ scaffolds के लिए बेहतर vivo स्थितियों में वास्तविक प्रतिनिधित्व करने की क्षमता है, जहां कोशिकाओं को अलग संरचनात्मक गुणों के साथ विभिंन ऊतकों की परतों को उजागर कर रहे है22,23,३४। सरंध्रता और यांत्रिक गुणों व्युत्क्रमानुपाती संबंधित हैं, लेकिन हाइड्रोजेल पाड़ की संरचना एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं । सीएनसीएस को इसके प्रसिद्ध यांत्रिक गुणों2,३५,३६के कारण हाइड्रोजेल इंक का मुख्य संघटक के रूप में चुना गया है । यहां निर्मित हाइड्रोजेल स्याही, pores की presences में भी अपनी लोच अधिकारी, एक इष्टतम ताकना आकार (110-1100 μm) और एक उपयुक्त संपीडन मापांक (0.20-0.45 mpa) उपास्थि उत्थान अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है ।

संपीड़न परीक्षण पानी में और शरीर के तापमान पर किया गया था जितना संभव हो के रूप में vivo में शर्तों की नकल । 3 डी प्रिंटिंग और मैकेनिकल परीक्षण के बीच कोई सुखाने वाला कदम नहीं था । प्राकृतिक ऊतकों में, एक सरंध्रता ढाल एक समान ताकना आकार के बजाय मनाया जाता है । एक ही संपीड़न मूल्यों के लिए सही है भार असर प्राकृतिक ऊतकों, के रूप में संपीडन मापंक उम्र पर निर्भर करता है, लिंग और परीक्षण के स्थान पर.

यहां प्रस्तुत अध्ययन के साथ लाभ यह है कि अंतिम सरंध्रता और 3 डी सरंध्र पाड़ के संपीडन मापीयस मूल्यों को नियंत्रित किया जा सकता है और हाइड्रोजेल इंक संरचना और 3 डी मुद्रण प्रक्रिया के माध्यम से अनुकूलित । यह प्रोटोकॉल लचीला है और विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार संशोधित किया जा सकता है । 3 डी मुद्रण एक शक्तिशाली तकनीक है और भविष्य में पता लगाया जा सकता है के लिए जटिल संरचनात्मक और compositional सुविधाओं के साथ scaffolds विकसित करना । बहु सामग्री वितरण scaffolds, कोशिकाओं या विकास कारकों की एकाग्रता की संरचना को नियंत्रित करके क्रांति का परिचय कर सकते हैं, ऐसे दिशात्मकता या porosity, यांत्रिक गुणों और विभिंन में गिरावट की दर के रूप में संरचनात्मक सुविधाओं 3 डी के भागों constructs ।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस अध्ययन के वित्तीय Knut और ऐलिस Wallenberg फाउंडेशन (Wallenberg लकड़ी विज्ञान केंद्र), स्वीडिश अनुसंधान परिषद, VR (Bioheal, DNR 2016-05709 और DNR 2017-04254) द्वारा समर्थित है ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
60 mL syringe Structur3D Printing
Alginic acid sodium salt Sigma-Aldrich 9005-38-3
Anhydrous calcium chloride Sigma-Aldrich 10043-52-4
Clamps, three pronged, Talon VWR 241-0404 102 mm, Dual adjustment clamp, large, clamp extension 127 mm
Cura 2.4.0 Ultimaker Free slicing software
Discov3ry Complete Structur3D Printing Ultimaker 2+ 3D printer integrated with Discov3ry paste extruder
Gelatin from bovine skin Sigma-Aldrich 9000-70-8
Glutaraldehyde solution 50 wt. % in H2O Sigma-Aldrich 111-30-8
homogenizer SPX APV-2000
Instron 5960 Instron Instron 5960, Biopuls Bath, 100 N load cell, 37 °C,
Physica MCR 301 rheometer Anton Paar CP25-2-SN7617, gap height 0.05 mm, 25 °C
Sorvall Lynx 6000 centrifuge AB Ninolab s/n 41881692 F12-rotor (6x500 ml)
stainless steel nozzle Structur3D Printing 800, 600 and 400 µm
thingsinverse MakerBot's  sharing and downloading 3D printable things in form of stl files
ultra sonication Qsonica, LLC Q500
Unbarked wood chips Norway spruce(Picea abies) dry matter content of 50–55%

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References

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बायोइंजीनियरिंग इश्यू १४६ 3D प्रिंटिंग सेलुलोस नैनोक्रिस्टल हाइड्रोजेल सरंध्र पाड़ बायोमेडिकल अनुप्रयोग संपीड़न मापीलस
3 डी मुद्रित सरंध्र सेलुलोस नैनोकंपोजिट हाइड्रोजेल पाड़
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Sultan, S., Mathew, A. P. 3D Printed Porous Cellulose Nanocomposite Hydrogel Scaffolds. J. Vis. Exp. (146), e59401, doi:10.3791/59401 (2019).

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