Summary
ثلاث خطوات حاسمة في هذا البروتوكول هي ط) تطوير التكوين الصحيح والمسام اتساق الحبر المائية السليلوز، ثانيا) 3D الطباعة من السقالات في مختلف الهياكل مع الإخلاص جيدة الشكل والأبعاد والثالث) مظاهرة الخواص الميكانيكية في ظروف محاكاة الجسم لتجديد الغضاريف.
Abstract
يوضح هذا العمل استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) لإنتاج السقالات مكعب مسامية استخدام السليلوز نانوي المائية الحبر، مع هيكل المسام التي تسيطر عليها والخصائص الميكانيكية. نانوكريستالس السليلوز (مركزا، 69.62 wt %) وقد وضع المائية استناداً إلى الحبر مع مصفوفة (الجينات الصوديوم والجيلاتين) 3D طباعتها إلى السقالات مع هيكل مسام موحد والتدرج (110-1,100 ميكرومتر). أظهرت السقالات معامل ضغط في النطاق من 0.20-0.45 الآلام والكروب الذهنية عند اختباره في محاكاة ظروف المجراة في (في الماء المقطر عند 37 درجة مئوية). في أحجام المسام ومعامل ضغط من السقالات 3D المتطابقة مع المتطلبات اللازمة لتطبيقات تجديد الغضاريف. يوضح هذا العمل أن اتساق الحبر يمكن التحكم بتركيز على السلائف والمساميه يمكن التحكم بواسطة عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد وكل من هذه العوامل في المقابل يعرف الميكانيكية خصائص 3D الطباعة المسامية سقالة المائية. ولذلك يمكن استخدام هذا الأسلوب عملية اختﻻق السقالات هيكلياً وشكل تركيبي مخصصة وفقا للاحتياجات المحددة للمرضى.
Introduction
السليولوز هو السكاريد تتكون من سلاسل خطية من β وحدات د-الجلوكوز المرتبط (1-4). وهو البوليمر الطبيعية الأكثر وفرة على الأرض ويستخرج من مجموعة متنوعة من المصادر، بما في ذلك الحيوانات البحرية (مثلاً، تونيكاتيس) والنباتات (مثل الخشب والقطن وقش القمح) ومصادر البكتيرية، مثل الطحالب (فالونيا مثلاً)، والفطريات، وحتى أميبا (البروتوزوا )1،2. الحصول على السليلوز النانو (CNF) ونانوكريستالس السليلوز (الحاسب الآلي) مع البعد واحد على الأقل في النانو من خلال المعالجات الميكانيكية والتحلل المائي الحمضي من السليولوز. ليس فقط لديهم خصائص السليلوز، مثل إمكانية تعديل المواد الكيميائية، والمنخفضة السمية، وتوافق مع الحياة، القابلة للتحلل، والمتجددة، ولكن لها أيضا خصائص النانو مثل ارتفاع مساحة محددة، الخصائص الميكانيكية العالية ، الخصائص الضوئية وانسيابية. هذه خصائص جذابة جعلت كنفس ومركزا مناسباً للتطبيقات الطبية الحيوية، أساسا في شكل ثلاثي الأبعاد (3D) السقالات المائية3. وتتطلب هذه السقالات الأبعاد المخصصة مع هيكل المسام التي تسيطر عليها والمترابطة المسامية. وأفادت مجموعتنا وآخرون نانومترى السليلوز مسامية 3D أعدت عن طريق الصب، واليكتروسبينينج، والتجميد4،،من56،،من78. غير أن السيطرة على هيكل المسام وتلفيق هندسة معقدة لا يتحقق من خلال هذه التقنيات التقليدية.
3D الطباعة هو أسلوب تصنيع مضافة، التي يتم إنشاء الكائنات 3D طبقة بطبقة من خلال ترسب الحبر9الكمبيوتر التي تسيطر عليها. مزايا الطباعة 3D على التقنيات التقليدية ليشمل حرية تصميم، الماكرو التي تسيطر عليها والأبعاد الدقيقة، تلفيق أبنية معقدة والتخصيص وإمكانية تكرار نتائج. وبالإضافة إلى ذلك، يوفر 3D الطباعة كنفس ومركزا أيضا التحالفات التي يسببها القص من جسيمات نانوية، يفضل اتجاهية، مسامية متدرجة ويمكن أن تمتد بسهولة إلى، بيوبرينتينج 3D10،،من1112 13 , 14 , 15-في الآونة الأخيرة، أفادت ديناميات مركزا تم محاذاة أثناء الطباعة 3D16،17. وقد تمكن التقدم في ميدان بيوبرينتينج 3D مطبوعة الأنسجة والأعضاء على الرغم من التحدي الذي ينطوي عليها مثل الاختيار وتركيز الخلايا الحية وعوامل النمو، تكوين الحبر الناقل، طباعة الضغوط وأقطار فوهة18 ،،من1920.
المسامية وقوة ضاغطة للسقالات التجدد الغضروف هي الخصائص الهامة التي تملي على الكفاءة والأداء. حجم المسام دوراً هاما للالتصاق والتمايز، وتكاثر الخلايا، وكذلك فيما يتعلق بتبادل المواد الغذائية و النفايات الأيضية21. ومع ذلك، هناك لا حجم المسام محددة التي يمكن أن تعتبر كقيمة مثالية، بعض الدراسات أظهرت بيواكتيفيتي أعلى مع مسام أصغر حجماً بينما الآخرين تبين أفضل تجديد الغضاريف مع المسام الكبيرة. ماكروبوريس (< 500 ميكرومتر) تيسير التمعدن النسيج، والإمداد بالمواد الغذائية والتخلص من النفايات في حين ميكروبوريس (150-250 ميكرومتر) تيسير مرفق خلية وأفضل الخصائص الميكانيكية،من2223. يجب أن يكون مزروع سقالة السلامة الميكانيكية كافية من الوقت للتعامل مع غرس وحتى انتهاء الغرض المنشود منه. معامل الضغط الكلي الغضروف المفصلي الطبيعي يقال في النطاق من 0.1-2 الآلام والكروب الذهنية حسب السن والجنس ومكان اختبار4،24،،من2526،27 ،،من2829.
في لدينا العمل السابقة11، استخدمت 3D الطباعة باختلاق بيوسكافولدس المسامية من كروسلينكيد مزدوجة إينتيربينيتراتينج البوليمر الشبكة (IPN) من حبر المائية التي تتضمن مركزا معززة في مصفوفة من الجينات الصوديوم والجيلاتين. مسار الطباعة 3D الأمثل لتحقيق السقالات 3D مع هياكل المسام موحدة والتدرج (80-2,125 ميكرومتر) حيث يفضل توجيه نانوكريستالس في اتجاه الطباعة (درجة التوجه بين 61-76%). وهنا، نحن هذا استمرار هذا العمل ويوضح تأثير المسامية على الخواص الميكانيكية ل 3D طباعة السقالات المائية في ظروف محاكاة الجسم. في وقت سابق أبلغ مركزا يستخدم هنا، لنا أن تكون سيتوكومباتيبلي وغير سامة (أي نمو الخلايا بعد 15 يوما حضانة كان أكد30). وعلاوة على ذلك، أعدت السقالات عن طريق التجفيف استخدام نفس مركزا، وأظهرت الجينات الصوديوم والجيلاتين المسامية عالية، وامتصاص عالية المالحة العازلة الفوسفات وسيتوكومباتيبيليتي تجاه الخلايا الجذعية الوسيطة5. والهدف من هذا العمل لإثبات تجهيز الحبر المائية والطباعة 3D من السقالات المليئة بالثغرات واختبار ضغط. ويرد في الشكل 1الخطط لتجهيز الطريق.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1-إعداد السلائف
- إعداد تعليق نانوكريستالس السليلوز
ملاحظة: يتم عزل نانوكريستالس السليلوز وفقا للإجراءات التي أوردها ماثيو، وآخرون30.- تمييع wt تعليق 17% نانوكريستالس السليلوز إلى 2% بالوزن بإضافة الماء لجعل إجمالي حجم 2 ميكس ل. استخدام دقة فائقة من سونيكيشن واستخدام مجموعات صغيرة (250-300 مل) لخلط كفاءة المقطر.
- تمرير تعليق سونيفيد عن طريق الخالطون عشر مرات عند ضغط بار 500-600. عند هذه النقطة، يتم الحصول على هلام شفافة سميكة من وزن 2% السليولوز نانوكريستالس.
- التركيز 2 السيليلوز % wt نانوكريستالس هلام و 11% wt من خلال سينتريفوجيشنز في 24,500 س ز h. 1.5 صب الماء من بين كل 30 دقيقة.
ملاحظة: يمكن أن يكون مؤقتاً التجربة هنا.
- إعداد مصفوفة المراحل
- إعداد الحل متجانسة من الجينات الصوديوم % wt 6 (SA) في الماء المقطر عند 60 درجة مئوية تحت التحريك المستمر.
- إعداد الحل متجانسة من 12 wt % جيلاتين (هلام) في الماء المقطر عند 60 درجة مئوية تحت التحريك المستمر.
ملاحظة: إعداد حجم 20 مل لمصفوفة الحلول وتخزينها في الثلاجة.
- إعداد كروسلينكيرس
- إعداد حل 3 wt % كلوريد الكالسيوم في الماء المقطر في درجة حرارة الغرفة تحت التحريك المستمر.
- إعداد حل wt 3 ٪ glutaraldehyde في الماء المقطر في درجة حرارة الغرفة تحت التحريك المستمر.
ملاحظة: إعداد حجم 50 مل لحلول crosslinking وتخزينها في درجة حرارة الغرفة. الرجوع إلى الجدول للمواد اللازمة لمعلومات المورد. يمكن أن يكون مؤقتاً التجربة هنا.
2-إعداد الحبر المائية
- إعداد 40 مل حبر المائية في حاوية البوليستيرين بخلط و 11% باستخدام الحاسب الآلي، 6 سا % wt و 12 wt % جل الحصول على رطب (wt %) تكوين باستخدام الحاسب الآلي/SA/جل/المياه: 6.87/1.50/1.50/90.12.
- حرارة المخلوط إلى 40 درجة مئوية والمزيج بملعقة حتى يتم الحصول على عجينة ناعمة.
- نقل الخليط في محقن 60 مل. تمرير هذا الخليط من خلال سلسلة من الفتحات مع أقطار مختلفة في محقن 60 مل آخر، مع مساعدة المشبك الميكانيكية. كرر هذه العملية حتى يتم الحصول على خيوط مقذوف بسلاسة من الحبر المائية. بدء تشغيل مع فوهة بقطر أكبر من 800 ميكرون، تليها 600 ميكرون و 400 ميكرون.
- بلطف الطرد (4,000 س ز) حقنه مليئة بالحبر المائية لإزالة المحاصرين الجوية.
ملاحظة: يمكن أن يكون مؤقتاً التجربة هنا.
3-قياس خصائص انسيابية المائية
الخبير: إجراء خصائص انسيابية باستخدام هندسة مخروط في لوحة سلس، CP25-2-SN7617، قطرها 25 مم، 2 ° زاوية الاسمية وارتفاع الفجوة 0.05 ملم عند 25 درجة مئوية.
- قم بتشغيل رهيوميتير وضاغط هواء ومربع التحكم في درجة الحرارة. تهيئة البرنامج.
- تحميل أداة قياس في رهيوميتير وتعيين صفر-الفجوة.
- قذف حوالي 1 مل الحبر المائية إلى ساحة رهيوميتير.
- قياس اللزوجة كدالة لمعدل القص. حدد نطاق معدل القص من 0.001 إلى 1000.
- بعد أن يتم القياس، تنظيف الأساسي رهيوميتير وقياس أداة. قذف 1 مل حبر المائية العذبة مرة أخرى على منصة رهيوميتير.
- قياس بواقي التخزين (G′)، وفقدان بواقي (G″) كدالة لإجهاد القص بتردد من 1 هرتز. حدد نطاق إجهاد القص من 103 إلى 107.
- بمجرد إكمال الاختبارات، يتم نسخ البيانات إلى ملف نصي ورسم منحنيات انسيابية في مقياس لوغاريتمي.
4-ملف التحضير للطباعة ثلاثية الأبعاد
ملاحظة: يتم استخدام البرمجيات Cura 2.4.0 لتصميم 3D السقالات (20 ملم3) وجود ثلاثة أنواع من المسام. 1-زي مسام 0.6 مم، 2-الزي المسام من 1.0 مم والمسام 3-التدرج من نطاق 0.5-1 ملم.
- تحميل ملف مكعب الصلبة المجسمة (stl) من thingsinverse.com وفتح الملف في كور.
- انقر فوق طراز تحميلها ونقلها إلى X/Y/Z: 0/0/0 مم. انقر فوق جدول، قم بإلغاء تحديد مربع المقياس الموحد وتعيين الأبعاد إلى X/Y/Z: 20/20/20 مم. انقر فوق استدارة وتدوير المكعب بدرجة 45 في الطائرة س.
- في لوحة جانبية، في فوهة & المواد، حدد 0.4 مم ولصق ملف التعريف. حدد Discov3ry كاملة كالطابعة.
- في لوحة جانبية، حدد مخصص إعداد الطباعة. تحت قسم الجودة ، أدخل 0.2 مم لجميع الأقسام الفرعية. ضمن المقطع شل ، أدخل 0 ملم لجميع الأقسام الفرعية. تحت قسم المواد ، أدخل 26 درجة مئوية لدرجة الحرارة، وتدفق 1 مم القطر و 100%. تحت قسم السرعة ، أدخل 30 ملم/s ك 120 ملم/ثانية و سرعة السفرو سرعة الطباعة . تحت قسم الدعم ، قم بإلغاء تحديد المربع تمكين الدعم. تحت قسم بناء التصاق لوحة ، حدد تنورة، أدخل 3 مم المسافة تنورة و 150 مم تنورة/أسنانها الأصغري.
- للسقالات مع حجم المسام موحدة، أدخل 0.6 أو 1 ملم مسافة سطر بدأت أعمال الحفر وتحديد نمط الشبكة بدأت أعمال الحفر.
- ويستخدم للسقالات مسامية متدرجة، دمج وتجميع أداة. الحق انقر فوق تحميل نموذج، حدد نماذج متعددة، قم بإدخال 2 ثم اضغط موافق. مقياس كل نموذج ك X/Y/Z: 20/20/7 ملم-وضع النماذج على رأس كل منهما الآخر. أدخل مسافة سطر بدأت أعمال الحفر ك 0.3، 0.5 و 0.7 مم للنموذج الأسفل والأوسط والأعلى، على التوالي. حدد كافة النماذج الثلاثة (Ctrl + A)، انقر بالزر الأيمن وانقر فوق مجموعة نماذج.
- حفظ النماذج على البطاقة بالتأكيد Digital (SD). كور تلقائياً حفظ الملف ك gcode التي يتم قراءتها من قبل الطابعة.
5-3D الطباعة المسامية السقالات
- إدراج حامل فوهة أنبوب نقل وتوصيل 400 ميكرون فوهة لها. مستوى لوحة البناء للحصول على المسافة الصحيحة بين لوحة الإنشاء والفوهات.
- تحميل المحاقن سينتريفوجيد إلى الخرطوشة وتوصيله إلى الجانب الآخر من أنبوب نقل.
- إدراج بطاقة SD في الطابعة، حدد إزالة سريعة والبدء في تطهير الحبر المائية حتى يبدأ بقذف من الفوهة. مواصلة تطهير لمدة 2-3 دقيقة للحصول على تدفق متجانسة.
- من بطاقة SD، حدد الملفات المحفوظة للسقالات المسامية موحدة والتدرج والبدء في الطباعة. إبقاء عين على معدل البثق. إذا لزم الأمر، ضبط معدل السرعة والتدفق تبعاً لذلك. لأصغر حجم المسام، استخدام أسرع سرعة جنبا إلى جنب مع معدل التدفق المنخفض (50 ملم/s و 70 في المائة).
ملاحظة: لا تلمس السقالات المطبوعة 3D.
6-Crosslinking 3D طباعة السقالات
- بعد الانتهاء من الطباعة ثلاثية الأبعاد، بلطف إضافة قطرات من 3% wt كاكل2 إلى السقالة حتى يصبح رطب تماما. انتظر لمدة 5 دقائق.
- بعناية فائقة بنقل السقالة من الطابعة إلى 50 مل حاوية مليئة 3 wt % كاكل2. اتركه بين عشية وضحاها.
- يغسل جيدا بالماء المقطر ونقل السقالة إلى 50 مل حاوية مليئة بوزن 3 ٪ glutaraldehyde. اتركه بين عشية وضحاها.
- يغسل جيدا وتخزين سقالة المطبوعة 3D في الماء المقطر.
7-ضغط الاختبار
ملاحظة: إجراء اختبارات الضغط مع 100 N تحميل الخلية في الماء عند 37 درجة مئوية.
- تعبئة الحاوية مجهزة بلوحة ضغط غاطسة قاعدة مع 2 لتر الماء وبدء تشغيل نظام التدفئة تصل إلى 37 درجة مئوية.
- تهيئة البرنامج العالمي بلال وإعداد أسلوب الاختبار. حدد عينة مستطيلة الهندسة واختر خيار إدخال الأبعاد قبل اختبار كل عينة. تعيين معدل الضغط إلى 2 مم/دقيقة ونهاية نتيجة 80% السلالة ضاغطة جنبا إلى جنب مع القوة N 90.
- في المقطع القياس ، حدد القوة والتشريد، والإجهاد ضاغطة وإجهاد ضاغطة. اختر خيار تصدير البيانات كملفات نصية للتخطيط للمستقبل.
- تعيين نقطة الصفر ملحق باستخدام عناصر التحكم هرول إلى انخفاض لوحة crosshead أقرب ما يمكن قاعدة اللوحة.
- قياس وملاحظة أبعاد العينات لاختبارها.
- عندما تصل درجة حرارة المياه إلى 37 درجة مئوية، وضع العينة على الصفيحة القاعدية. تأمين العينة بنقل لوحة crosshead لكي يبدأ للمس العينة.
- نقل حمام المياه، حيث اللوحات بعينه في الفترات الفاصلة بين لهم مغمورة في الماء.
- قم بإدخال اسم العينة والأبعاد. بدء تشغيل الاختبار.
- بعد الانتهاء من الاختبار، أول مرة تنزل في حوض ماء وثم رفع لوحة crosshead.
- إزالة العينة والقطع به، إذا وجدت، تنظيف كل لوحات وتحميل نموذج جديد.
- بعد أن يتم اختبار جميع العينات، تصدير البيانات الخام. ارسم الإجهاد ضاغطة مقابل منحنيات إجهاد ضاغطة وتحديد معامل المماس ضاغطة في سلالة القيم من 1 إلى 5 في المائة، ونسبة 25-30 في المائة.
ملاحظة: ضع المكعب التدرج في مثل هذه طريقة أن الثقوب أكبر تواجه الصفيحة القاعدية القرطاسية.
أولاً تأمين السقالة بين السيطرة وثم البدء والتوقف القياس.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويظهر الحبر المائية نانوي مركزا على أساس إمالة غير نيوتن قوي رقيق السلوك (الشكل 2). الظاهر لزوجة 1.55 × 105 Pa.s بمعدل قص منخفض (0.001 s-1) يسقط خمسة أوامر للحجم إلى قيمة Pa.s 22.60 50 s-1 (إيتش فايف زيرو s-1 يجري بمعدل قص نموذجي ذوي خبرة أثناء الطباعة 3D) بمعدل قص31 . الحبر المائية يسلك سلوكاً صلبة لزج مطاطي، كمعامل التخزين G '(4.42 × 107 السلطة الفلسطينية) أمر من حجم أكبر من معامل فقدان ز '' (8.26 × 106 السلطة الفلسطينية) في منخفضة الإجهاد القص، مع قيمة إجهاد غلة حيوية محددة جيدا (ز' = ز '') من 5.59 × 104 باسكال (الشكل 2ب). 3D طبع نانوي المسامية المائية السقالات في هو موضح في الشكل 3. لجميع السقالات المطبوعة، جيد جداً الاحتفاظ بالشكل والأبعاد بعد الطباعة وكذلك بعد كروسلينكينج مزدوجة. أحجام المسام السقالات، 110-1,100 ميكرومتر، في حدود 100-400 ميكرون الذي يعتبر مقياسا ل تجديد الغضاريف32.
تم اختبار السقالات المطبوعة 3D في وضع الضغط. وهذا هو الوضع المفضل لاختبار الميكانيكية لمواد الغضروف لأن دور الغضروف الطبيعي أن تتحمل الأحمال في الضغط. لمحاكاة ظروف المجراة في، تم اختبار السقالات في الماء عند 37 درجة مئوية. الجدول 1 و الشكل 4 يمثل ضاغطة البيانات التي تم الحصول عليها للسقالات المائية نانوي مسامية مختلفة 2 مم/دقيقة بمعدل إجهاد. أسعار منخفضة الضغط (1-5%)، معامل ضاغطة (~ 0.17 الآلام والكروب الذهنية) هو أكثر أو أقل مماثلة لجميع أنواع السقالات المليئة بالثغرات. وهذا يبين أن الطبيعة المرنة للحبر المائية محفوظاً حتى في الوجود ماكروبوريس. ومع ذلك، بمعدلات ضغط عالية (25-30%)، معامل أعلى من 0.45 الآلام والكروب الذهنية هو الحصول على سقالة مرجع مع لا المسامية. ومع ذلك، بمجرد زيادة حجم المسام، المعامل يقلل، نظراً لانخفاض الكثافة التي تشير إلى العلاقة المتوقعة بين المسامية السقالات والخصائص الميكانيكية المقابلة. في حالة السقالات مسامية متدرجة، هو المعامل أعلى (0.34 الآلام والكروب الذهنية) بالمقارنة مع السقالات مسامية موحدة (0.20 و 0.26 الآلام والكروب الذهنية) بسبب وجود أحجام المسام أصغر وأكثر صلابة الجدران. وعلاوة على ذلك، معامل ضاغطة للمائية 3D السقالات الزيادات كما يزيد معدل ضغط (الشكل 4ب)، العارضة، ومحاكاة فيسكولاستيسيتي لانسجة الغضاريف الطبيعية التي تعتبر ملائمة للتحميل وإذ تضع السقالات33. معامل الضغط 0.20 الآلام والكروب الذهنية 2 مم/دقيقة بمعدل الضغط يزيد إلى 0.35 MPa في 5 مم/دقيقة وزيادات أخرى للآلام والكروب الذهنية 0.47 في 120 مم/دقيقة وفي النطاق الإبلاغ عن الغضروف الطبيعي (أي معامل ضاغطة من 0.1-2 الآلام والكروب الذهنية).
الشكل 1 . الخطط لتجهيز الطريق. () إعداد الحبر المائية نانوي. (ب) 3D السقالات مسامية الطباعة. (ج) crosslinking مزدوجة من 3D طباعة السقالات. (د) ضغط اختبار السقالات مسامية ثلاثية الأبعاد في المياه عند 37 درجة مئوية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 2 . قطع السجل – السجل من الحبر المائية نانوي. () اللزوجة مقابل القص معدل و (ب) ز ' وز '' مقابل إجهاد القص. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3 -طباعة 3D السقالات المسامية. الحجم: 500 ميكرومتر. () الإشارة مع لا ثقوب. (ب) حجم المسام 1 مم. (ج) حجم المسام 0.60 ملم. (د) التدرج ميكرومتر المسامية 110-800- الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 4 . منحنيات الإجهاد-الانفعال الممثل ل 3D طباعة نانوي المسامية المائية السقالات. () معدل الضغط المستمر من 2 مم/س (ب) في سلالة مختلفة المسام معدلات 1 مم سقالة الحجم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
| حجم المسام المستهدفة (ميكرومتر) | حجم المسام متوسط (ميكرومتر) | معامل ضاغطة في 1-5% سلالة (الآلام والكروب الذهنية) | معامل ضاغطة في سلالة 25-30 في المائة (الآلام والكروب الذهنية) |
| مرجع | 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 |
| التدرج | 110-800 | 0.16 ± 0.01 | 0.34 ± 0.04 |
الجدول 1. طباعة بيانات ضغط ل 3D نانوي المائية السقالات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
الطباعة ثلاثية الأبعاد تتطلب خصائص انسيابية ملائمة الحبر المائية. الحبر عالية اللزوجة سيتطلب الضغوط القصوى لقذف به حين الحبر منخفضة اللزوجة لا سوف تحافظ على شكلها بعد البثق. يمكن التحكم في لزوجة الحبر المائية من خلال تركيز المكونات. بالمقارنة مع لدينا العمل السابقة11، يتم زيادة المحتوى الصلبة الحبر المائية من 5.4 إلى 9.9% wt أسفر عن الحبر المائية المركزة مما يساعد على تحسين دقة سقالة المطبوعة. تجدر الإشارة إلى أن، خلافا كنفس طويلة مرنة، يمكن أن تنتج قضبان صلبة مثل مركزا أحبار مع أعلى من المحتويات الصلبة في لزوجة معينة بسبب غياب المشاحنات البدنية14. من جانب آخر هام يؤثر على برينتابيليتي تجانس الحبر. وقد لوحظ أن تدفئة الحبر المائية عند درجة حرارة 40 درجة مئوية يشجع اختلاط مركزا متجانسة مع المرحلة المصفوفة. لزيادة ضمان سلاسة الحبر المائية، أنه صدر من خلال سلسلة من الفتحات، بدءاً بقطر أكبر من 800 ميكرون، ثم 600 ميكرون وأخيراً 400 ميكرون. خلال هذه التصاريح، يمكن انسداد الفوهة الذي يشير إلى الوجود الكتل الكبيرة ولكن بعد هذه التصاريح الحبر المائية مقذوف دون عناء في شكل خيوط مستمرة. حركة الفوهة للحصول على ثوابت المطبوعة 3D أيضا أهمية كبرى كما ورد بأن العمل السابق11. يجب تجنب المسار فوهة الحركات المتكررة وترسبات الزائدة من الحبر المائية حيث أنه يتم الاحتفاظ بدقة الطباعة ثلاثية الأبعاد.
المسامية التي تم الحصول عليها في السقالات 3D المائية المطبوعة في حدود مقبولة بالمقارنة مع المسامية المستهدفة (الجدول 1). لا يمكن أن يتوقع تطابق تام بسبب طبيعة الحبر هيدروجيل تورم. اتساق الحبر المائية عاملاً هاما خاصة عند كروسلينكينج خارج الموقع الذي ينبغي القيام به، أي crosslinking بعد طباعة بنية ثلاثية الأبعاد. وقد لوحظ أن الحبر المائية مركزة كافية (المواد الصلبة من 9.9 في المائة بالوزن) للحفاظ على الشكل، وهيكلها والأبعاد أثناء وبعد عملية الطباعة.
حجم المسام السقالة يلعب دوراً أساسيا في التفاعلات الخلية ونشر الأوكسجين والتخلص من النفايات إلى جانب خصائصه الميكانيكية لتنفيذ ودعم الوظائف المطلوبة. السقالات مع المسامية التدرج لديها القدرة على تمثل أفضل الظروف الفعلية في الحية التي تتعرض فيها الخلايا لطبقات من أنسجة مختلفة باختلاف الخصائص الهيكلية22،23،34. ترتبط عكسيا المسامية وخواصها الميكانيكية ولكن تكوين سقالة المائية يمكن أن تلعب دوراً مهما. اختير مركزا المكون الرئيسي للحبر المائية بسبب لها خصائص ميكانيكية معروفة2،35،36. الحبر المائية ملفقة هنا، تمتلك مرونته حتى في وجود المسام، حجم مسام أمثل (110-1,100 ميكرومتر) ومعامل ضاغطة مناسبة (0.20-0.45 الآلام والكروب الذهنية) المطلوبة لطلبات تجديد الغضاريف.
تم اختبار الضغط في الماء، ودرجة حرارة الجسم تحاكي ظروف المجراة بقدر الإمكان. وكان هناك لا خطوة التجفيف المشاركة بين 3D الطباعة واختبار الميكانيكية. من الملاحظ تدرج مسامية في الأنسجة الطبيعية، بدلاً من حجم المسام موحدة واحدة. نفس الشيء صحيح بالنسبة لقيم الضغط لحمل الأنسجة الطبيعية، كمعامل ضاغطة تعتمد على العمر، الجنس وموقع اختبار.
الميزة مع الدراسة المقدمة هنا هي أن المسامية النهائي وقيم معامل ضاغطة من السقالة مسامية ثلاثية الأبعاد، يمكن الخاضعة لسيطرة وتخصيصها من خلال تكوين الحبر المائية وعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. هذا البروتوكول هو مرنة ويمكن تعديلها وفقا لمتطلبات محددة. طباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية قوية ويمكن استكشافها في المستقبل وضع السقالات مع السمات الهيكلية والتركيبية المعقدة. الاستغناء عن مواد متعددة يمكن إدخال الثورة بالتحكم في تكوين السقالات، تركيز الخلايا أو عوامل النمو، والسمات الهيكلية مثل اتجاهية أو المسامية، الخصائص الميكانيكية ومعدل التدهور في مختلف أجزاء من بنيات 3D.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
هذه الدراسة يدعمه ماليا كنوت واليس والنبرغ مؤسسة (مركز العلوم الخشب والنبرغ)، "مجلس البحوث السويدية"، VR (بيويال، DNR 2016-05709 و DNR 2017-04254).
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% |
References
- Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J., Youngblood, J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews. 40 (7), 3941-3994 (2011).
- Dufresne, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16 (6), 220-227 (2013).
- Chinga-Carrasco, G. Potential and limitations of nanocelluloses as components in biocomposite inks for three-dimensional bioprinting and for biomedical devices. Biomacromolecules. 19 (3), 701-711 (2018).
- Naseri, N., Poirier, J., Girandon, L., Fröhlich, M., Oksman, K., Mathew, A. P. 3-Dimensional porous nanocomposite scaffolds based on cellulose nanofibers for cartilage tissue engineering: tailoring of porosity and mechanical performance. Royal Society of Chemistry Advances. 6 (8), 5999-6007 (2016).
- Naseri, N., Deepa, B., Mathew, A. P., Oksman, K., Girandon, L. Nanocellulose-Based Interpenetrating Polymer Network (IPN) Hydrogels for Cartilage Applications. Biomacromolecules. 17 (11), 3714-3723 (2016).
- Naseri, N., Mathew, A. P., Girandon, L., Fröhlich, M., Oksman, K. Porous electrospun nanocomposite mats based on chitosan-cellulose nanocrystals for wound dressing: effect of surface characteristics of nanocrystals. Cellulose. 22 (1), 521-534 (2015).
- Xing, Q., Zhao, F., Chen, S., McNamara, J., DeCoster, M. A., Lvov, Y. M. Porous biocompatible three-dimensional scaffolds of cellulose microfiber/gelatin composites for cell culture. Acta Biomaterialia. 6 (6), 2132-2139 (2010).
- Nandgaonkar, A., Krause, W., Lucia, L. Fabrication of cellulosic composite scaffolds for cartilage tissue engineering. Nanocomposites for musculoskeletal tissue regeneration. , Elsevier. 187-212 (2016).
- Gross, B. C., Erkal, J. L., Lockwood, S. Y., Chen, C., Spence, D. M. Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences. Analytical Chemistry. 86 (7), 3240-3253 (2014).
- Markstedt, K., Mantas, A., Tournier, I., Martínez Ávila, H., Hägg, D., Gatenholm, P. 3D bioprinting human chondrocytes with nanocellulose-alginate bioink for cartilage tissue engineering applications. Biomacromolecules. 16 (5), 1489-1496 (2015).
- Sultan, S., Mathew, A. P. 3D printed scaffolds with gradient porosity based on a cellulose nanocrystal hydrogel. Nanoscale. 10, 4421-4431 (2018).
- Sultan, S., Siqueira, G., Zimmermann, T., Mathew, A. P. 3D printing of nano-cellulosic biomaterials for medical applications. Current Opinion in Biomedical Engineering. 2, 29-34 (2017).
- Sultan, S., Abdelhamid, H. N., Zou, X., Mathew, A. P. CelloMOF: Nanocellulose Enabled 3D Printing of Metal-Organic Frameworks. Advanced Functional Materials. , 1805372-1805384 (2018).
- Siqueira, G., et al. Cellulose Nanocrystal Inks for 3D Printing of Textured Cellular Architectures. Advanced Functional Materials. 27 (12), 1604619-1604629 (2017).
- Wang, J., et al. All-in-One Cellulose Nanocrystals for 3D Printing of Nanocomposite Hydrogels. Angewandte Chemie International Edition. 57 (9), 2353-2356 (2018).
- Hausmann, M. K., et al. Dynamics of Cellulose Nanocrystal Alignment during 3D Printing. ACS Nano. 12 (7), 6926-6937 (2018).
- Liu, Y., et al. Nanoscale assembly of cellulose nanocrystals during drying and redispersion. ACS Macro Letters. 7 (2), 172-177 (2018).
- Murphy, S. V., Atala, A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nature Biotechnology. 32 (8), 773-785 (2014).
- Pati, F., et al. Printing three-dimensional tissue analogues with decellularized extracellular matrix bioink. Nature communications. 5, 3935 (2014).
- Xia, Z., Jin, S., Ye, K. Tissue and organ 3D bioprinting. SLAS TECHNOLOGY: Translating Life Sciences Innovation. 23 (4), 301-314 (2018).
- Zhang, Q., Lu, H., Kawazoe, N., Chen, G. Pore size effect of collagen scaffolds on cartilage regeneration. Acta Biomaterialia. 10 (5), 2005-2013 (2014).
- Loh, Q. L., Choong, C. Three-dimensional scaffolds for tissue engineering applications: role of porosity and pore size. Tissue Engineering, Part B: Reviews. 19 (6), 485-502 (2013).
- Bružauskaitė, I., Bironaitė, D., Bagdonas, E., Bernotienė, E. Scaffolds and cells for tissue regeneration: different scaffold pore sizes-different cell effects. Cytotechnology. 68 (3), 355-369 (2016).
- Zhang, L., Hu, J., Athanasiou, K. A. The role of tissue engineering in articular cartilage repair and regeneration. Critical Reviews™ in Biomedical Engineering. 37 (1-2), (2009).
- Athanasiou, K., Rosenwasser, M., Buckwalter, J., Malinin, T., Mow, V. Interspecies comparisons of in situ intrinsic mechanical properties of distal femoral cartilage. Journal of Orthopaedic Research. 9 (3), 330-340 (1991).
- Schinagl, R. M., Gurskis, D., Chen, A. C., Sah, R. L. Depth-dependent confined compression modulus of full-thickness bovine articular cartilage. Journal of Orthopaedic Research. 15 (4), 499-506 (1997).
- Athanasiou, K., Niederauer, G., Schenck, R. Biomechanical topography of human ankle cartilage. Annals Biomedical Engineering. 23 (5), 697-704 (1995).
- Athanasiou, K. A., Liu, G. T., Lavery, L. A., Lanctot, D. R., Schenck, R. C. Biomechanical topography of human articular cartilage in the first metatarsophalangeal joint. Clinical Orthopaedics and Related Research. 348, 269-281 (1998).
- Guilak, F., Jones, W. R., Ting-Beall, H. P., Lee, G. M. The deformation behavior and mechanical properties of chondrocytes in articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 7 (1), 59-70 (1999).
- Mathew, A. P., Oksman, K., Karim, Z., Liu, P., Khan, S. A., Naseri, N. Process scale up and characterization of wood cellulose nanocrystals hydrolysed using bioethanol pilot plant. Industrial Crops and Products. 58, 212-219 (2014).
- Compton, B. G., Lewis, J. A. 3D-printing of lightweight cellular composites. Advanced Materials. 26 (34), 5930-5935 (2014).
- Sarem, M., Moztarzadeh, F., Mozafari, M. How can genipin assist gelatin/carbohydrate chitosan scaffolds to act as replacements of load-bearing soft tissues. Carbohydrate Polymers. 93 (2), 635-643 (2013).
- Chia, H. N., Hull, M. Compressive moduli of the human medial meniscus in the axial and radial directions at equilibrium and at a physiological strain rate. Journal of orthopaedic research. 26 (7), 951-956 (2008).
- Zhang, K., Fan, Y., Dunne, N., Li, X. Effect of microporosity on scaffolds for bone tissue engineering. Regenerative biomaterials. 5 (2), 115-124 (2018).
- Lin, N., Dufresne, A. Nanocellulose in biomedicine: Current status and future prospect. European Polymer Journal. 59, 302-325 (2014).
- Domingues, R. M., Gomes, M. E., Reis, R. L. The potential of cellulose nanocrystals in tissue engineering strategies. Biomacromolecules. 15 (7), 2327-2346 (2014).
