異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)打印的新探索,！基于擠出式同軸3D打印材料及流程的設(shè)計(jì)

來源： EFL生物3D打印與生物制造

基于擠出式的3D打印(E3DP)由于可獲得的生物材料和細(xì)胞范圍廣泛且成本低，通常用于體外和原位生物制造,。然而,，由于油墨性能的限制,，這種功能性支架的制造具有挑戰(zhàn)性，必須與組織的物理化學(xué)和生物學(xué)特性相匹配,。鑒于此,，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉海濤提出了一種制備E3DP結(jié)構(gòu)油墨的新方法。通過油墨制備和工藝參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證了該工藝的可行性,，這些墨水是由鑄造和3D打印集成技術(shù)制造的,。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬方法，對(duì)油墨在噴口通道中的流動(dòng)進(jìn)行了模擬,。通過對(duì)擠出纖維截面的分析,，確定了這些油墨的幾何參數(shù)。研究了具有核殼截面的結(jié)構(gòu)油墨對(duì)打印纖維的影響機(jī)理,。以具有對(duì)稱截面的油墨為例,，說明其不同的可打印結(jié)構(gòu)。最后,，提出了一種用于E3DP的結(jié)構(gòu)化打印材料設(shè)計(jì)和制造的新工作流程,，這種方法可以豐富E3DP，同時(shí)促進(jìn)異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)的制造,。相關(guān)論文“Extrusion-based 3D co-printing: Printing material design and novel workflow for fabricating patterned heterogeneous tissue structures”于2023年2月13日發(fā)表于雜志《Materials & Design》上,。

為了制造異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)，之前的研究最終目標(biāo)是控制材料組分的分布,，可以設(shè)想利用單個(gè)泵控制打印頭將結(jié)構(gòu)化墨水引入E3DP中,。在保證擠出纖維的橫截面圖案與結(jié)構(gòu)油墨的橫截面圖案的材料分布接近的前提下，拓展了制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)的途徑(圖1A),。如圖1B所示,，展示了3D打印結(jié)構(gòu)油墨的制備工藝流程。

圖1 基于擠出式的3D共打印系統(tǒng)和油墨制備

使用NX 10.0設(shè)計(jì)并建模了具有圖案的模具,，以制造具有核殼和對(duì)稱截面的材料分布的油墨,。所有模具的最大直徑為9.50 mm，以適合3 mL的空墨盒,，整個(gè)高度設(shè)置為65 mm，以便在墨水制備過程中操作方便(圖2),。

圖2 模具裝配部分和裝有噴嘴的空筒的技術(shù)圖紙

為確保打印墨水性能與低雷諾數(shù)和可成形性相匹配,，可用于同軸打印，對(duì)結(jié)構(gòu)油墨的兩種組分進(jìn)行了測(cè)定,。通過從37℃到4℃的溫度掃描測(cè)試,，存在損耗模量與存儲(chǔ)模量相等的數(shù)據(jù)(圖3A)。從剪切速率掃描來看,，兩種復(fù)合水凝膠的粘度隨剪切速率的增加而降低,，表現(xiàn)出剪切稀化特性(圖3B),。此外，還進(jìn)行了振蕩頻率掃描,，以確定油墨的機(jī)械光譜,，并選擇1Hz進(jìn)行振蕩應(yīng)變掃描(圖3C)。在振蕩應(yīng)變掃描測(cè)試中,，兩種復(fù)合水凝膠的G’’和G’在高應(yīng)變下都急劇下降,，表明存在剪切屈服現(xiàn)象(圖3D)。

圖3 根據(jù)明膠濃度變化對(duì)水凝膠流變學(xué)的表征

分別研究了油墨1和油墨2(圖1B),，以確定它們相同的工藝參數(shù),。對(duì)油墨1的工藝參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，如圖4A所示,。最終確定擠壓壓力和打印速度的工藝參數(shù)分別為180 kPa,、10 mm/s和200 kPa、12 mm/s,。圖4B為油墨2的工藝參數(shù),。作為結(jié)構(gòu)油墨的兩種組分，油墨1和2在噴嘴中同時(shí)被擠出,。因此,，兩種油墨具有相同的噴嘴規(guī)格和溫度。最終確定擠壓壓力和印刷速度的工藝參數(shù)分別為160 kPa,、8 mm/s和180 kPa,、10 mm/s。

圖4 工藝參數(shù)評(píng)價(jià)

圖5A展示了r0對(duì)擠壓纖維r1/r2的影響,。對(duì)于某一噴嘴,，r1/r2值隨著r0的增大而增大，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)口1和進(jìn)口2流量固定時(shí),，材料擠壓體積與截面面積成正比,。研究了2號(hào)入口不同組分的結(jié)構(gòu)油墨對(duì)r1/r2的影響。因此,，通過在入口1和2處使用不同的油墨組分,，可以間接地控制擠壓纖維的材料分布。圖5B顯示了2號(hào)進(jìn)口不同組分對(duì)r1/r2的影響及差值,。

圖5 擠出纖維r1/r2上結(jié)構(gòu)油墨r0的分析

圖6A展示了共打印過程中r1/r2的變化,。兩相墨水分別受到滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力、材料相界面處的支撐力,、擠壓壓力和重力的作用,。此外，還研究了兩種物質(zhì)相之間強(qiáng)烈相互作用力的模擬條件,，以確定預(yù)置結(jié)構(gòu)油墨的高度,，圖6B給出了仿真結(jié)果,。

圖6 結(jié)構(gòu)油墨對(duì)擠出纖維的影響機(jī)理及確定的預(yù)設(shè)油墨高度

進(jìn)一步研究了具有對(duì)稱截面組件的結(jié)構(gòu)油墨作為案例，以顯示基于擠壓的3D共打印的多樣性,。詳細(xì)模擬了預(yù)先設(shè)定的材料組分和噴嘴規(guī)格對(duì)擠出纖維的影響(圖7A),。對(duì)于具有核殼截面的油墨，高度對(duì)擠壓纖維的物質(zhì)分布有顯著影響,。因此,，作者也模擬了不同高度的對(duì)稱截面油墨對(duì)纖維的影響(圖7B)。

圖7 擠壓纖維S1/S2上的結(jié)構(gòu)油墨分析

如圖8所示,，以具有截面圖案分布的材料組分結(jié)構(gòu)油墨為基礎(chǔ)概念,，提出了一種新的、有前景的工作流程(包括幾何設(shè)計(jì),、制備和打印工藝參數(shù)的確定),。

圖8 基于擠壓的3D共打印的建議工作流程(設(shè)計(jì)、制備和打印結(jié)構(gòu)油墨)

如圖9所示,，共印模型具有精細(xì)的結(jié)構(gòu)和線寬,。帶有微流體通道的打印結(jié)構(gòu)可以通過溶解明膠(例如，置于37℃水浴中)形成,。這種多孔結(jié)構(gòu)有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向細(xì)胞的運(yùn)輸,，也可用于工程毛細(xì)血管。

圖9 以明膠為第二墨水,，以擠出式為基礎(chǔ)的3D共打印制備的代表性晶格結(jié)構(gòu)

本文通過介紹獨(dú)特的結(jié)構(gòu)油墨的設(shè)計(jì)和制備方法,，并通過演示E3DP工藝的可行性，報(bào)道了基于擠出式的3D打印結(jié)構(gòu)油墨,。具有可控截面材料分布和高度的結(jié)構(gòu)油墨是關(guān)鍵,。然后給出了該方法的一般工作流程。該工作流程可以在體外直接構(gòu)建多種異質(zhì)結(jié)構(gòu),，從而再現(xiàn)體內(nèi)的細(xì)胞生態(tài)位,。在此基礎(chǔ)上，給出了該方法在工程再生中的應(yīng)用前景,。這些結(jié)構(gòu)油墨由于其易于制備,，對(duì)非工程師友好，成本低而被應(yīng)用,。需要指出的是,，由于該方法具有多種可打印的異構(gòu)結(jié)構(gòu)，因此也可以應(yīng)用于其他研究,，如軟體機(jī)器人和柔性可穿戴設(shè)備。

綜上所述,，作者提出了通過基于擠出式的3D打印制造可調(diào)諧異質(zhì)結(jié)構(gòu)的第一步,，這種方法也可以啟發(fā)光固化3D打印的研究,，作者預(yù)計(jì)這種方法將為深入的支架制造帶來新的途徑，并預(yù)測(cè)這些嘗試將導(dǎo)致在疾病建模,、組織再生和藥物開發(fā)方面的功能化組織的體外構(gòu)建的進(jìn)展,。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111737