Dies ist der erste Bericht über 3D-gedruckte Nanocellulose-Hydrogelgerüste, bei denen wir eine Gradientenporenstruktur und mechanische Eigenschaften haben, um natürliche Strukturen als Knorpel nachzuahmen. Die beiden Hauptvorteile der Verwendung von 3D-Drucktechniken sind Anpassung und Designfreiheit. Das eröffnet eine unbegrenzte Möglichkeit, neue und unerforschte geometrische Designs zu fertigen.
Dieses Protokoll ist benutzerfreundlich, und Neulinge können die Ergebnisse leicht reproduzieren. Die Wahl der Schneidesoftware und die Düsenbewegung haben erhebliche Auswirkungen auf das Endprodukt. Zu Beginn bereiten Sie 40 Milliliter Hydrogeltinte vor, indem Sie 11% nach Gewicht CNC, 6% Natriumalginat und 12% Gelatine in einem Behälter mischen.
Erhitzen Sie die Mischung auf 40 Grad Celsius, und mischen Sie mit einem Spachtel, bis eine glatte Paste erhalten wird. Übertragen Sie das Gemisch in eine 60-Milliliter-Spritze. Anschließend, mit Hilfe einer mechanischen Klemme, übergeben Sie das Gemisch durch eine Reihe von Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern in eine weitere 60-Milliliter-Spritze.
Wiederholen Sie den Vorgang, bis glatt extrudierte Filamente aus Hydrogeltinte erhalten sind. Zentrifugieren Sie die mit der Hydrogeltinte gefüllte Spritze vorsichtig mit 4 000 mal g, um eingeschlossene Luft zu entfernen. Wählen Sie auf der SD-Karte die gespeicherten Dateien für Uniform- und Gradienten-Porositätsgerüste aus, und beginnen Sie mit dem Drucken.
Passen Sie bei Bedarf die Geschwindigkeit und den Durchfluss entsprechend an. Um das Gerüst nach Abschluss des 3D-Drucks miteinander zu vernetzen, fügen Sie dem Gerüst vorsichtig Tropfen von 3% Gewichtscalciumchloridlösung hinzu, bis es vollständig nass wird. Warten Sie fünf Minuten.
Übertragen Sie das Gerüst sehr sorgfältig vom Druckerbett in einen 50-Milliliter-Behälter, gefüllt mit 3 Gewichtsprozent Calciumchloridlösung. Lassen Sie es über Nacht. Mit destilliertem Wasser gründlich waschen und das Gerüst in einen 50-Milliliter-Behälter geben, der mit 3 Gewichtsprozent Glutaraldehyd-Lösung gefüllt ist.
Lassen Sie es über Nacht. Waschen Sie gründlich, und lagern Sie das 3D-gedruckte Gerüst in destilliertem Wasser. Für Kompressionstests füllen Sie den Behälter, der mit einer Tauchkompressionsgrundplatte ausgestattet ist, mit zwei Litern Wasser und starten Sie das Heizsystem auf 37 Grad Celsius.
Initialisieren Sie Bluehill Universal Software, und richten Sie die Testmethode ein. Wählen Sie die rechteckige Probengeometrie aus, und wählen Sie die Option zum Eingeben von Bemaßungen, bevor Sie jede Probe testen. Stellen Sie die Dehnungsrate auf zwei Millimeter pro Minute und das Ende des Ergebnisses als 80%kompressive Dehnung zusammen mit 90-Newton-Kraft ein.
Wählen Sie im Abschnitt Messung Kraft, Verschiebung, Druckspannung und Druckdehnung aus. Wählen Sie die Option zum Exportieren von Daten als Textdateien für zukünftiges Plotten aus. Legen Sie den Verlängerungspunkt Null fest, indem Sie die Jog-Steuerelemente verwenden, um die Kreuzkopfplatte so nah wie möglich an der Grundplatte zu senken.
Messen und erfassen Sie die Abmessungen der zu prüfenden Proben. Wenn die Wassertemperatur 37 Grad Celsius erreicht, legen Sie die Probe auf die Grundplatte. Befestigen Sie die Probe, indem Sie die Kreuzkopfplatte so bewegen, dass sie beginnt, die Probe zu berühren.
Bewegen Sie das Wasserbad so, dass die Platten mit der Probe dazwischen in Wasser getaucht werden. Geben Sie den Beispielnamen und die Abmessungen ein, und starten Sie den Test. Nachdem der Test abgeschlossen ist, bewegen Sie zuerst das Wasserbad nach unten, und dann heben Sie die Querkopfplatte.
Entfernen Sie die Probe und ihre Teile, falls vorhanden, reinigen Sie beide Platten, und laden Sie eine neue Probe. Nachdem alle Proben getestet wurden, exportieren Sie die Rohdaten. Plotten Sie Druckspannung im Vergleich zu Druckdehnungskurven, und bestimmen Sie den kompressiven Tangentenmodul bei Dehnungswerten von ein bis 5 % und 25 bis 30 % CNCs-basierter Nanokomposit-Hydrogeltinte zeigt ein starkes nicht-Newtonsches Scherverdünnungsverhalten mit einem Fünf-Rang-Magnitudenabfall der scheinbaren Viskosität.
Die Hydrogeltinte weist ein viskoelastisches Feststoffverhalten auf, da der Speichermodul eine Größenordnung größer ist als der Verlustmodul bei geringer Scherspannung. Bei niedrigen Dehnungsraten von ein bis fünf% ist der Druckmodul für alle Arten von porösen Gerüsten im Vergleich zum Referenzgerüst ohne Porosität ähnlich, was zeigt, dass die elastische Natur der Hydrogeltinte auch in Gegenwart der Makroporen erhalten bleibt. Bei hohen Dehnungsraten von 25 bis 30% wird jedoch der höchste Modul für das Referenzgerüst ohne Porosität erhalten.
Sobald die Porengröße zunimmt, nimmt der Modul aufgrund der Abnahme der Dichte ab, was auf den erwarteten Zusammenhang zwischen der Porosität der Gerüste und den entsprechenden mechanischen Eigenschaften hinweist. Darüber hinaus erhöht sich der Druckmodul der 3D-Hydrogelgerüste mit zunehmender Kompressionsrate, indem die Viskoelastizität natürlicher Knorpelgewebe auftritt und imitiert wird. Der homogene und der kontinuierliche Farbfluss beim 3D-Druck sind die wichtigsten Dinge.
Diese Methode wird von Forschern verwendet, um mit Nanozellulose-Hydrogel als 3D-druckbare Plattform auf andere Anwendungsbereiche zu expandieren. So haben wir beispielsweise bereits Nanozellulose-basierte Hybriden für die kontrollierte Wirkstofffreisetzung nach dem gleichen Verfahren entwickelt.
