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Bioengineering

3D-Druck poröse Zellulose Nanocomposites Hydrogel Gerüste

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

Summary

Die drei kritischen Schritte dieses Protokolls i) entwickeln die richtige Zusammensetzung und Konsistenz der Zellulose Hydrogel Tinte, Ii) 3D Drucken von Gerüsten in verschiedenen Strukturen mit guter Form Treue und Dimensionen und (Iii) Demonstration der pore der mechanische Eigenschaften im simulierten Körper Bedingungen für die Knorpelregeneration.

Abstract

Diese Arbeit zeigt den Einsatz von dreidimensionalen (3D) Druck, poröse kubische Gerüste mit Zellulose Nanocomposites Hydrogel Tinte mit kontrollierten Porenstruktur und mechanischen Eigenschaften zu produzieren. Zellulose-Nanokristalle (CNCs, 69,62 Gew.-%) auf der Grundlage Hydrogel Tinte mit Matrix (Natriumalginat und Gelatine) entstand und 3D-Druck in Gerüste mit einheitlichen und gradient Porenstruktur (110-1.100 µm). Die Gerüste zeigte Kompression Modul im Bereich von 0,20-0,45 MPa bei simuliert in vivo Bedingungen (in destilliertem Wasser bei 37 ° C). Die Porengrößen und der Kompression-Modul von der 3D Gerüste, abgestimmt mit den Anforderungen für Knorpel Regeneration Anwendungen benötigt. Diese Arbeit zeigt, dass die Konsistenz der Farbe, durch die Konzentration der Ausgangsstoffe gesteuert werden und Porosität im 3D Druckverfahren gesteuert werden und beide Faktoren definiert im Gegenzug die mechanischen Eigenschaften der 3D gedruckt porös Hydrogel-Gerüst. Dieser Prozessmethode kann daher verwendet werden, strukturell und kompositorisch angepasste Gerüste entsprechend den spezifischen Bedürfnissen der Patienten herzustellen.

Introduction

Cellulose ist ein Polysaccharid, bestehend aus linearen Ketten von β (1-4) verknüpften D-Glucose-Einheiten. Es wird ist das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer auf der Erde und aus einer Vielzahl von Quellen, einschließlich Meerestiere (z. B. Manteltiere), Pflanzen (z. B. Holz, Baumwolle, Weizenstroh) und bakteriellen Quellen wie Algen (z. B. Valonia), Pilze und sogar Amöben (Protozoen )1,2. Cellulose-Nanofasern (CNF) und Cellulose Nanokristallen (CNC) mit mindestens einer Dimension auf nanoskaligen werden durch mechanische Behandlungen und saure Hydrolyse von Zellulose gewonnen. Sie verfügen nicht nur über die Eigenschaften von Zellulose, wie Potenzial für chemische Modifikation, geringe Toxizität, Biokompatibilität, biologisch abbaubar und erneuerbare, aber es hat auch Nanoscale Eigenschaften wie hoher spezifischer Oberfläche, hohe mechanische Eigenschaften , rheologische und optischen Eigenschaften. Diese attraktiven Eigenschaften haben CNFs und CNC-Maschinen für biomedizinische Anwendungen geeignet, vor allem in Form von 3-dimensionalen (3D) Gerüste Hydrogel3. Diese Gerüste benötigen kundenspezifische Abmessungen mit kontrollierten Porenstruktur und vernetzten Porosität. Unsere Fraktion und andere berichtet 3D poröse Zellulose Nanokomposite vorbereitet durch Gießen, Elektrospinnen und Gefriertrocknung4,5,6,7,8. Jedoch Steuern auf die Porenstruktur und Fertigung komplexer Geometrie wird nicht durch diese traditionellen Techniken erreicht.

3D-Druck ist eine additive Fertigungstechnik, 3D Objekte in der Schicht für Schicht durch die computergesteuerte Ablagerung von Tinte9erstellt werden. Die Vorteile des 3D-Drucks über traditionelle Techniken beinhaltet Gestaltungsfreiheit, kontrollierte Makro und Mikrodimensionen, Herstellung von komplexen Architekturen, Anpassung und Reproduzierbarkeit.  Darüber hinaus bietet 3D Druck von CNFs und CNC-Maschinen auch Scheren-induzierte Ausrichtungen von Nanopartikeln, bevorzugt Direktionalität, gradient Porosität und leicht erweiterbar bis 3D Bioprinting10,11,12, 13 , 14 , 15. die Dynamik der CNCs Ausrichtung während des 3D Druckens wurde berichtete kürzlich,16,17. Fortschritte auf dem Gebiet der Bioprinting haben ermöglichen 3D gedruckten Geweben und Organen trotz der beteiligten Herausforderung wie Auswahl und Konzentration von lebenden Zellen und Wachstumsfaktoren, Zusammensetzung der Träger Tinte, drucken, Druck und Düse Durchmesser18 ,19,20.

Die Porosität und Druckfestigkeit des Knorpels regenerative Gerüste sind wichtige Eigenschaften, die die Effizienz und Leistung bestimmt. Porengröße spielt eine wichtige Rolle für die Adhäsion, Differenzierung und Proliferation von Zellen sowie für den Austausch von Nährstoffen und metabolische Abfall21. Allerdings gibt es keine definitive Porengröße, die als einen ideellen Wert betrachtet werden kann, einige Studien zeigten höhere Bioaktivität mit kleineren Poren, während andere besser Knorpelregeneration mit größeren Poren zeigte. Makroporen (< 500 µm) Gewebe Mineralisierung, Nährstoffversorgung und Abfallentsorgung zu erleichtern, während die Mikroporen (150-250 µm) Zellhaftung und bessere mechanische Eigenschaften22,23erleichtern. Die implantierte Gerüst müssen ausreichende mechanische Integrität aus der Zeit der Behandlung, Implantation und bis zur Fertigstellung ihres gewünschten Zweckes. Das aggregierte zusammenpressende Modul für natürliche Gelenkknorpel wird berichtet, dass im Bereich von 0,1-2 MPa abhängig von Alter, Geschlecht und getesteten Standort4,24,25,26,27 ,28,29.

In unserer bisherigen Arbeit113D-Druck diente fabrizieren porösen Bioscaffolds eine doppelte querverbunden durchdringen Polymernetz (IPN) aus einem Hydrogel-Tinte mit verstärkten CNCs in einer Matrix von Natriumalginat und Gelatine. Der 3D Druck Weg wurde optimiert, um 3D Gerüste mit einheitlichen und gradient Porenstrukturen (80-2.125 µm) zu erreichen, wo die Nanokristalle vorzugsweise in Druckrichtung (Grad der Ausrichtung zwischen 61-76 %) orientieren. Hier präsentieren wir die Fortsetzung dieser Arbeiten und zeigt, dass die Wirkung der Porosität auf die mechanischen Eigenschaften von 3D Hydrogel Gerüste in simulierten Körper Bedingungen gedruckt. CNC-Maschinen verwendet, hier wurden früher von uns zu Cytocompatible und ungiftig (d. h. Zellwachstum nach 15 Tagen Inkubation war bestätigte30) gemeldet. Darüber hinaus bereitete Gerüste mittels Gefriertrocknung die gleichen CNCs Natriumalginat und Gelatine zeigte hohe Porosität, hohe Aufnahme von Phosphat Puffer Kochsalzlösung und Cytocompatibility in Richtung mesenchymalen Stammzellen5. Das Ziel dieser Arbeit ist die Hydrogel-Tinte-Verarbeitung, 3D-Druck poröse Gerüste und die Kompression Prüfung nachweisen. Schaltpläne der Verarbeitung Route ist in Abbildung 1dargestellt.

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Protocol

1. Vorbereitung der Vorläufer

  1. Vorbereitung der Cellulose Nanokristallen Aussetzung
    Hinweis: Isolation von Cellulose Nanokristallen erfolgt nach dem Verfahren von Mathew, berichtet Et Al30.
    1. Verdünnte 17 wt % Suspension von Cellulose Nanokristallen, 2 Gew.-% durch Zugabe von destilliertem Wasser zu einem Gesamtvolumen von 2 L. Mischung gründlich mit ultra Beschallung und Nutzung kleiner Chargen (250-300 mL) für effizientes Mischen.
    2. Passieren Sie die sonified Aussetzung durch den Homogenisator 10 Mal bei einem Druck von 500-600 Bar. An dieser Stelle ergibt sich ein Dicke transparentes Gel von 2 wt % Cellulose Nanokristallen.
    3. 2 wt % Zellulose, die gel-Nanokristalle, 11 Gew.-% durch Centrifugations bei 24.500 X g für 1,5 h Dekantieren Wasser zwischen jedem 30 min zu konzentrieren.
      Hinweis: Experiment kann hier angehalten werden.
  2. Vorbereitung der Matrix Phasen
    1. Homogene Lösung von 6 wt % Natriumalginat (SA) in destilliertem Wasser bei 60 ° C unter ständigen rühren zubereiten.
    2. Bereiten Sie homogene Lösung 12 wt % Gelatine (Gel) in destilliertem Wasser bei 60 ° C unter ständigen rühren.
      Hinweis: Ein Volumen von 20 mL für Matrix Lösungen vorbereiten und im Kühlschrank lagern.
  3. Vorbereitung der Vernetzer
    1. Bereiten Sie die Lösung von 3 wt % Kalzium-Chlorid in destilliertem Wasser bei Raumtemperatur unter ständigen rühren.
    2. Lösung 3 wt % Glutaraldehyd in destilliertem Wasser bei Raumtemperatur unter ständigen rühren zubereiten.
      Hinweis: Ein Volumen von 50 mL für Vernetzung Lösungen vorbereiten und bei Raumtemperatur lagern. Finden Sie in der Tabelle der Materialien für die Herstellerinformationen. Experiment kann hier angehalten werden.

2. Vorbereitung des Hydrogel Tinte

  1. Bereiten Sie 40 mL Hydrogel Tinte in einem Styropor-Container durch Mischen 11 Gew.-% CNC, 6 wt % SA und 12 Gew.-% Gel zu einem nassen (Gew.-%) Zusammensetzung des CNC/SA/Gel/Wasser: 6.87/1.50/1.50/90.12.
  2. Erhitzen Sie die Mischung auf 40 ° C und Mischung mit einem Spatel, bis eine glatte Paste entsteht.
  3. Übertragen Sie die Mischung in eine 60 mL-Spritze. Übergeben Sie die Mischung durch eine Reihe von Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern in einem anderen 60 mL Spritze mit Hilfe von mechanischen Klemme. Wiederholen Sie den Vorgang, bis glatt extrudierten Filamente Hydrogel Tinte gewonnen werden. Beginnen Sie mit Düse mit Drehdurchmesser von 800 µm, gefolgt von 600 µm und 400 µm.
  4. Sanft Zentrifuge (4.000 X g) die Spritze mit Hydrogel Tinte gefüllt entfernen Lufteinschlüsse.
    Hinweis: Experiment kann hier angehalten werden.

3. Messung der rheologischen Eigenschaften von hydrogel

NTE: Durchführen die rheologischen Eigenschaften mit einer glatten Kegel / Platte Geometrie CP25-2-SN7617, Durchmesser 25 mm, 2 ° nominalen Winkel und Abstand Höhe 0,05 mm bei 25 ° C.

  1. Schalten Sie das Rheometer, Luftkompressor und Temperatur-Control-Box. Initialisieren Sie die Software.
  2. Montieren Sie das Messwerkzeug in dem Rheometer und stellen Sie Null-Abstand ein.
  3. Extrudieren Sie etwa 1 mL der Hydrogel Tinte auf die Rheometer-Plattform.
  4. Messen der Viskosität als Funktion der Schergeschwindigkeit. Markieren Sie der Scherbereich Rate von 0,001 bis 1.000
  5. Nachdem die Messung abgeschlossen ist, reinigen Sie die Rheometer-Plattform und Messgerät. Extrudieren Sie 1 mL frisch Hydrogel Tinte wieder auf das Rheometer-Plattform.
  6. Lagerung Moduli (G′) und Verlust Moduli (G″) zu messen, wie eine Funktion der Schubspannung bei einer Frequenz von 1 Hz. Wählen Sie Bereich Schubspannung aus 103 bis 107.
  7. Sobald die Tests abgeschlossen sind, kopieren Sie die Daten in Text-Datei und Plotten Sie rheologische Kurven im logarithmischen Maßstab.

4. Datei Vorbereitung für den 3D-Druck

Hinweis: Cura 2.4.0 Software wird verwendet für die Gestaltung von 3D Gerüste (20 mm3) mit drei Arten von Poren. 1-Uniform Poren von 0,6 mm, 2-Uniform Poren von 1,0 mm und 3-Gradient Poren der Bereich von 0,5-1 mm.

  1. Herunterladen Sie Stereolithographie (Stl) Datei eines soliden Cubes von thingsinverse.com und öffnen Sie die Datei in Cura.
  2. Klicken Sie auf die geladene Modell und verschieben Sie sie in X/Y/Z: 0/0/0 mm. Klick Skala, deaktivieren Sie die Kontrollkästchen für die einheitliche Skalierung und legen Sie die Maße, X/Y/Z: 20/20/20 mm. Klick Drehen und drehen Sie den Würfel um 45° in XY-Ebene.
  3. Wählen Sie 0,4 mm in der Seitenwand in Düse & Materialund fügen Sie das Profil. Discov3ry komplett als Drucker auswählen.
  4. Wählen Sie in der Seitenwand Benutzerdefiniert für die Druckereinrichtung. Geben Sie unter Bereich Qualität 0,2 mm für alle Unterabschnitte. Geben Sie unter Shell Abschnitt 0 mm für alle Unterabschnitte. Abschnitt " Material " geben Sie 26 ° C Temperatur, 1 mm Durchmesser und 100 % fließen. Abschnitt " Speed " geben Sie 30 mm/s Druckgeschwindigkeit und 120 mm/s als Fahrgeschwindigkeit. Abschnitt " Support " deaktivieren Sie das Kontrollkästchen für Unterstützung zu ermöglichen. Abschnitt " Bauen Platte Haftung " wählen Sie Rock, geben Sie 3 mm als Rock Abstand und 150 mm als Rock/Krempe Mindestlänge.
  5. Für Gerüste mit einheitlichen Porengröße geben Sie 0,6 bzw. 1 mm Linienabstand Infill und Füllung Gittermuster.
  6. Für gradient Porosität Gerüste zusammenführen und Gruppierung Tool dient. Rechtsklick die geladene Modell, Mehrere Modelleauswählen, geben Sie 2 ein und drücken Sie "OK". Jedes Modell als X/Y/Z: 20/20/7 mm. Legen Sie die Modelle übereinander. Geben Sie Infill Linienabstand als 0,3, 0,5 und 0,7 mm für unteren, mittleren und oberen Modell, beziehungsweise. Wählen Sie alle drei Modelle (Strg + A), Rechte Maustaste und klicken Sie auf Gruppe Modelle.
  7. Speichern Sie die Modelle auf der sicher Digital (SD) Karte. Cura automatisch speichern Sie die Datei als Gcode, die vom Drucker gelesen wird.

5. 3D-Druck poröse Gerüste

  1. Stecken Sie das Übertragungsrohr in den Düsenhalter und 400 µm Düse an. Ebene die Build-Platte um den richtigen Abstand zwischen Build Platte und Düse zu erhalten.
  2. Die zentrifugiert Spritze in die Patrone zu laden und auf die andere Seite der Rohrweiche verbinden.
  3. Stecken Sie die SD-Karte in den Drucker, wählen Sie schnell reinigen und spülen die Hydrogel-Tinte, bis es beginnt, aus der Düse extrudiert. Weiter Spülen für 2-3 min, eine homogene Strömung zu erhalten.
  4. Wählen Sie von der SD-Karte die gespeicherten Dateien für einheitliche und gradient Porosität Gerüste und starten Sie den Druckvorgang. Halten Sie ein Auge auf die Extrusionsgeschwindigkeit. Wenn nötig, passen Sie die Geschwindigkeit und den Fluss Rate entsprechend an. Verwenden Sie für kleinere Porengröße schnelleren Geschwindigkeit kombiniert mit low-Flow-Rate (50 mm/s und 70 %).
    Hinweis: Berühren Sie nicht die 3D gedruckte Gerüste.

6. Vernetzung von 3D gedruckt Gerüste

  1. Nach Abschluss der 3D-Druck Tropfen Sie sanft 3 Gew.-% CaCl2 zum Schafott bis sie komplett nass wird. 5 min. warten.
  2. Übertragen Sie sehr sorgfältig das Gerüst aus dem Drucker auf eine 50 mL Behälter mit 3 Gew.-% CaCl2. Lassen Sie es über Nacht.
  3. Gründlich mit destilliertem Wasser spülen und das Gerüst auf ein 50 mL Behälter mit 3 wt % Glutaraldehyd übertragen. Lassen Sie es über Nacht.
  4. Gründlich waschen und die 3D gedruckte Gerüst in destilliertem Wasser zu speichern.

7. die Kompression testen

Hinweis: Führen Sie Druckversuche mit 100 N-Wägezelle in Wasser bei 37 ° C.

  1. Füllen Sie den Behälter ausgestattet mit versenkbaren Kompression Grundplatte mit 2 L Wasser und starten Sie die Heizung um 37 ° c erreichen.
  2. Initialisieren Sie Bluehill Universal Software und richten Sie die Testmethode. Wählen Sie rechteckige Probe Geometrie aus und wählen Sie die Option Dimensionen geben vor dem testen jede Probe.  Legen Sie die Verformungsgeschwindigkeit, 2 mm/min und das Ende Resultat als 80 % Druckspannung zusammen mit 90 N Kraft.
  3. Wählen Sie in der Messstrecke Kraft, Weg, Druckspannung und Druckspannung. Wählen Sie die Option zum Exportieren von Daten als Text-Dateien für das zukünftige Plotten.
  4. Über die Jog-Steuerelemente Kreuzkopf Platte so nah wie möglich zur Platte Basis zu senken vorgegeben Sie den Nullpunkt Erweiterung.
  5. Messen Sie und notieren Sie die Abmessungen des zu testenden Proben.
  6. Wenn die Wassertemperatur auf 37 ° C erreicht, legen Sie die Probe auf der Grundplatte.  Sichern Sie die Probe durch Verschieben der Kreuzkopf-Platte, so dass es beginnt zu tippen Sie auf die Probe.
  7. Das Wasserbad, verschieben, so dass die Platten mit dem Probe-dazwischen sie in mitten sind Wasser.
  8. Geben Sie Beispielnamen und Dimensionen. Starten Sie den Test.
  9. Nachdem der Test abgeschlossen ist, zuerst verschieben Sie das Wasserbad nach unten und heben Sie dann die Kreuzkopf-Platte.
  10. Entfernen Sie die Probe und seine Stücke, wenn vorhanden, beide Platten reinigen und laden Sie eine neue Probe.
  11. Nachdem alle Proben getestet werden, exportieren Sie die raw-Daten. Plotten Sie Druckspannung vs. Druckspannung Kurven und bestimmen Sie die Druckfestigkeit tangentiale Elastizitätsmodul bei Belastung Werten von 1-5 % und 25-30 %.
    Hinweis: Setzen Sie Gradienten Würfel so, dass die größere Bohrungen Grundplatte Briefpapier zeigen.
    Sichern Sie zuerst das Gerüst zwischen den Griffen und dann Start/Stopp der Mess.

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Representative Results

CNC-Maschinen basierten Nanocomposites Hydrogel Tinte zeigt eine starke nicht-newtonsches Scherung Ausdünnung Verhalten (Abbildung 2eine). Die scheinbare Viskosität von 1,55 × 105 Pa.s bei einer niedrigen Scherrate (0,001 s-1) sinkt um fünf Größenordnungen auf einen Wert von 22.60 Pa.s bei einer Scherrate von 50 s-1 (≈50 s-1 wird eine typische Scherraten während 3D-Druck erfahren)31 . Die Hydrogel-Tinte weist eine viskoelastische solide Verhalten, als der Speicher-Modul G' (4.42 × 107 Pa) ist eine Größenordnung größer als der Verlust Modulus G'' (8,26 × 106 Pa) bei geringen Schubspannung, mit einer klar definierten dynamischen Ertrag Spannungswert (G'= G'') von 5,59 × 104 Pa (Abbildung 2b). Der 3D-Druck poröse Nanocomposites Hydrogel sind Gerüste in dargestellt in Abbildung 3. Für alle gedruckten Gerüste Form und Abmessungen sehr gut nach dem Drucken sowie nach doppelten Vernetzung beibehalten. Die Porengrößen von Gerüsten, 110-1.100 µm liegen im Bereich von 100-400 µm, die eine Benchmark für Knorpel Regeneration32gilt.

Die 3D gedruckte Gerüste wurden im Komprimierungsmodus getestet. Dies ist die bevorzugte Art der mechanischen Prüfung für Knorpel Materialien, denn die Rolle der natürliche Knorpel Lasten in Kompression tragen. Um die in-vivo-Bedingungen zu simulieren, wurden Gerüste in Wasser bei 37 ° c getestet. Tabelle 1 und Abbildung 4eine stellt die Druckfestigkeit Daten aus verschiedenen porös Nanocomposites Hydrogel Gerüste mit einer Belastung Rate von 2 mm/min erhalten. Bei niedrigen Dehnraten (1-5 %), der Druckfestigkeit Modulus (~ 0,17 MPa) ist für alle Arten von porösen Gerüsten mehr oder weniger ähnlich. Dies zeigt, dass die elastische Art der Hydrogel Tinte auch in die Präsenz der die Makroporen erhalten bleibt. Allerdings ist bei hohen Dehnraten (25-30 %), der höchsten e-Modul von 0,45 MPa für Referenz-Gerüst mit keine Porosität erzielt. Sobald die Porengröße erhöht, verringert sich jedoch der Modulus, aufgrund der Abnahme der Dichte unter Angabe der erwarteten Beziehung zwischen Porosität der Gerüste und die entsprechenden mechanischen Eigenschaften. Im Falle der gradient poröse Gerüste ist der Modulus höher (0,34 MPa) verglichen mit einheitlichen poröse Gerüste (0,20 und 0,26 MPa) wegen der Anwesenheit von kleineren Porengrößen und mehr Massivwände. Darüber hinaus Gerüste der Druckfestigkeit Modul von 3D Hydrogel erhöht als die Kompression erhöht (Abbildung 4b), ausstellen und imitiert die Viskoelastizität der natürliche Knorpel Gewebe, die günstig für Last gilt Lager Gerüste33. Die Druckfestigkeit Elastizitätsmodul von 0,20 MPa bei Dehnrate von 2 mm/min bis 0,35 MPa bei 5 mm/min erhöht und weiter erhöht sich auf 0,47 MPa bei 120 mm/min und liegt im Bereich für natürliche Knorpel gemeldet (d. h. zusammenpressende Elastizitätsmodul von 0,1-2 MPa).

Figure 1
Abbildung 1 . Schaltpläne der Verarbeitung Route. (ein) Vorbereitung der Nanocomposites Hydrogel Tinte. (b) 3D Drucken poröse Gerüste. (c) doppelte Vernetzung von 3D gedruckt Gerüste. (d) Kompression testen 3D poröse Gerüste in Wasser bei 37 ° C. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 . Log-Log Grundstücke Nanocomposites Hydrogel Tinte. (ein) Viskosität vs. Scherung und (b) G' und G'' vs. Schubspannung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 . 3D gedruckt poröse Gerüste. Skala: 500 µm. (ein) Verweis ohne Löcher. (b) 1 mm Porengröße. (c) 0,60 mm Porengröße. (d) Steigung Porosität 110-800 µm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 . Repräsentative Spannungs-Dehnungs-Kurven für 3D gedruckt poröse Nanocomposites Hydrogel Gerüste. (eine) mit konstanter Belastung Rate von 2 mm/s (b) bei unterschiedlicher Dehnung pore Preise für 1 mm Größe Gerüst. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Pore Zielgröße (µm) Durchschnittliche Porengröße (µm) Kompressive Elastizitätsmodul bei 1-5 % Dehnung (MPa) Kompressive Elastizitätsmodul bei 25-30 % Dehnung (MPa)
Referenz 0 0,19 ± 0,04 0,45 ± 0,03
1.000 850-1.100 0,17 ± 0,02 0,2 ± 0,01
600 480-650 0,16 ± 0,01 0,26 ± 0,05
Farbverlauf 110-800 0,16 ± 0,01 0.34 ± 0,04

Tabelle 1. Komprimierungsdaten für 3D gedruckt Nanocomposites Hydrogel Gerüste.

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Discussion

3D Druck erfordert geeignete rheologische Eigenschaften der Tinte Hydrogel. Die hohe Viskosität Tinte wird extreme Belastungen für die Extrusion erfordern, während niedrige Viskosität Tinte nicht seine Form nach Extrusion zu halten. Die Viskosität der Druckfarbe Hydrogel kann durch die Konzentration der Inhaltsstoffe gesteuert werden. Im Vergleich zu unserer bisherigen Arbeit11ist der Feststoffgehalt der Hydrogel Tinte stieg von 5,4 auf 9,9 Gew.-% wodurch konzentrierte Hydrogel-Tinte, die hilft, um die Auflösung des gedruckten Gerüst zu verbessern. Es kann angemerkt werden, dass im Gegensatz zu langen, flexiblen CNFs steifen Stab wie CNCs Tinten mit höheren festen Inhalt bei einer bestimmten Viskosität durch die Abwesenheit des physischen Verstrickungen14erzeugen kann. Ein weiterer wichtiger Aspekt, die Bedruckbarkeit zu beeinflussen ist die Homogenität der Tinte. Es wurde festgestellt, dass die Hydrogel-Tinte bei einer Temperatur von 40 ° C heizen fördert die homogene Durchmischung von CNC-Maschinen mit der Matrix-Phase. Um die Glätte der Hydrogel Tinte sicherzustellen, wurde es durch eine Reihe von Düsen, beginnend mit dem größten Durchmesser von 800 µm, dann 600 µm und schließlich 400 µm übergeben. Während diese Ausweise kann Düse verstopft werden, was darauf hindeutet die Vorhandensein von großen Klumpen aber nach diesen Durchgängen die Hydrogel-Tinte mühelos in Form von einem kontinuierlichen Filament extrudiert. Düsenbewegung 3D gedruckte Konstrukte zu erhalten ist auch von großer Bedeutung, da durch unsere bisherige Arbeit11angezeigt. Die Düse Weg sollte repetitive Bewegungen und überschüssige Ablagerungen von Hydrogel-Tinte vermeiden, damit die Auflösung der 3D Druck erhalten bleibt.

Die Porosität erwarb die 3D gedruckte Hydrogel-Gerüste liegt im Bereich akzeptabel im Vergleich zu den gezielten Porosität (Tabelle 1). Eine exakte Übereinstimmung werden nicht wegen der Schwellung Natur der Hydrogel Tinte erwartet.  Die Konsistenz der Druckfarbe Hydrogel ist ein wichtiger Faktor, vor allem, wenn Ex-Situ- Vernetzung getan werden muss, d.h. Vernetzung nach dem Druck der 3D Konstruktion. Es wurde festgestellt, dass die Hydrogel-Tinte genug (Feststoffgehalt von 9,9 Gew.-%) konzentrierte Form, Struktur und Dimensionen während und nach dem Druck aufrechtzuerhalten.

Die Porengröße des Gerüstes spielt eine wesentliche Rolle in der Zell-Interaktionen, Sauerstoffdiffusion und Entsorgung zusammen mit seinen mechanischen Eigenschaften und die gewünschte Funktionalität zu unterstützen. Gerüste mit Farbverlauf Porosität haben die Möglichkeit, die tatsächlichen in-vivo-Bedingungen besser vertreten wo Zellen Schichten aus verschiedenen Geweben mit unterschiedlichen strukturellen Eigenschaften22,23,34ausgesetzt. Die Porosität und mechanischen Eigenschaften beziehen sich umgekehrt aber die Zusammensetzung des Gerüstes Hydrogel kann eine wichtige Rolle spielen. CNC-Maschinen wurde als Hauptbestandteil der Hydrogel Tinte wegen seiner bekannten mechanischen Eigenschaften2,35,36ausgewählt. Die Hydrogel-Tinte hier fabriziert, seine Elastizität auch in der Präsenz der Poren besitzen, verfügt über eine optimale Porengröße (110-1.100 µm) und eine geeignete zusammenpressende Elastizitätsmodul (0,20-0,45 MPa) für Knorpel Regeneration Anwendungen erforderlich.

Kompression testen erfolgte im Wasser und bei Körpertemperatur, die in vivo Bedingungen so weit wie möglich zu imitieren. Zwischen den 3D-Druck und mechanische Tests gab es keine Trocknungsschritt. In natürlichen Gewebe wird ein Porosität Farbverlauf anstatt eine einheitliche Porengröße beobachtet. Das gleiche gilt für Kompressionswerte für tragende natürlichen Gewebe, da der Druckfestigkeit Modulus auf Alter, Geschlecht und dem bewährten Standort abhängig ist.

Der Vorteil der hier vorgestellten Studie ist, dass die endgültige Porosität und Druckfestigkeit Elastizitätsmodul Werte der 3D poröses Gerüst gesteuert und durch Hydrogel Tinte Zusammensetzung und 3D-Druckverfahren angepasst werden können. Dieses Protokoll ist flexibel und kann je nach Bedarf geändert werden. Der 3D-Druck ist eine leistungsfähige Technik und kann in Zukunft um Gerüste mit komplexen Struktur- und kompositorische Merkmale entwickeln erkundet werden. Multi Material dosieren kann Revolution einzuführen, durch die Kontrolle der Zusammensetzung der Gerüste, Konzentration der Zellen oder Wachstumsfaktoren, Strukturmerkmale wie Direktionalität oder Porosität, mechanischen Eigenschaften und die Abbaurate in verschiedenen Teile der 3D Konstrukte.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Studie ist von Knut und Alice Wallenberg-Stiftung (Wallenberg Holz Science Center), schwedischer Forschungsrat, VR (Bioheal, DNR 2016-05709 und DNR 2017-04254) finanziell unterstützt.

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%

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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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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