3 D プリントされた多孔性セルロース ナノコンポジット型ヒドロゲル足場

これは、軟骨として自然構造を模倣する勾配細孔構造と機械的特性を有する3Dプリントナノセルロースヒドロゲル足場に関する最初のレポートです。3D 印刷技術を使用する 2 つの主な利点は、カスタマイズと設計の自由です。それは新しい、未踏の幾何学的デザインを製造する無制限の機会を開きます。

このプロトコルはユーザーフレンドリーで、新規参入者は簡単に結果を再現できます。スライスソフトウェアとノズルの動きの選択は、最終製品に大きな影響を与えます。まず、40ミリリットルのヒドロゲルインクを、11重量CNC、6重量%アルギン酸ナトリウム、12重量%のゼラチンを容器に混合して調製します。

混合物を摂氏40度に加熱し、滑らかなペーストが得られるまでヘラと混ぜます。混合物を60ミリリットルの注射器に移します。次に、機械的なクランプの助けを借りて、別の60ミリリットルのシリンジに異なる直径のノズルのシリーズを通して混合物を渡します。

ヒドロゲルインクの糸端が滑らかに押し出されるまで工程を繰り返します。ヒドロゲルインクを充填したシリンジを4,000倍gで静かに遠心分離し、閉じ込められた空気を取り除きます。SD カードから、均一および勾配の多孔性スキャフォールド用に保存されたファイルを選択し、印刷を開始します。

必要に応じて、速度と流量を適宜調整します。3D印刷が完了した後に足場をクロスリンクするには、完全に濡れるまで、3重量%の塩化カルシウム溶液をスキャフォールドに静かに加えます。5 分間待ちます。

非常に慎重に重い塩化カルシウム溶液で満たされた50ミリリットルの容器にプリンタベッドから足場を転送します。一晩おいておきなさい。蒸留水で十分に洗い、足場を3重量%のグルタルアルデヒド溶液で満たされた50ミリリットルの容器に移します。

一晩おいておきなさい。十分に洗い、3Dプリントされた足場を蒸留水に保管してください。圧縮試験のために、水の2リットルで水中圧縮ベースプレートを装備した容器を充填し、摂氏37度に達するように加熱システムを開始します。

ブルーヒルユニバーサルソフトウェアを初期化し、テスト方法を設定します。長方形の標本ジオメトリを選択し、各サンプルをテストする前に寸法を入力するオプションを選択します。ひずみ率を毎分2ミリメートルに設定し、結果の終点を90-ニュートン力とともに80%圧縮歪みとして設定します。

[計測]セクションで、[力]、[変位]、[圧縮応力]、[圧縮歪み]を選択します。今後印刷するために、データをテキスト ファイルとしてエクスポートするオプションを選択します。ジョグ コントロールを使用して、クロスヘッド プレートをベース プレートにできるだけ近づけるようにして、延長点ゼロを設定します。

テストするサンプルの寸法を測定し、記録します。水温が摂氏37度に達したら、サンプルをベースプレートに置きます。クロスヘッドプレートを動かして、サンプルに触れ始めます。

その間にサンプルが入ったプレートが水に浸るように、水浴を上に移動します。サンプル名と寸法を入力し、テストを開始します。テストが完了したら、まず水浴を下に移動し、次にクロスヘッドプレートを上げます。

サンプルとそのピース (存在する場合) を取り除き、プレートの両方をクリーニングし、新しいサンプルをロードします。すべてのサンプルをテストした後、生データをエクスポートします。圧縮応力と圧縮歪み曲線をプロットし、1~5%および25~30%のCNCベースのナノコンポジットハイドロゲルインクの歪み値で圧縮タンジェント弾性率を決定し、見かけの粘度を5桁低下させた強い非ニュートン剪断薄薄化挙動を示します。

ヒドロゲルインクは、貯蔵弾性率が低せん断応力で損失率より桁違いに大きいため、粘弾性固体挙動を示す。1〜5%の低ひずみ率では、圧縮弾性率は、多孔性のない基準足場と比較して、すべてのタイプの多孔質足場に対して類似しており、ヒドロゲルインクの弾性特性がマクロ孔の存在下でも保存されることを示している。しかし、25〜30%の高い歪み率では、空隙率のない基準足場に対して最高の弾性率が得られる。

孔径が大きくなるとすぐに、密度の低下により弾性率が低下し、足場の空隙率とそれに対応する機械的特性との間の期待される関係を示す。さらに、3Dヒドロゲル足場の圧縮弾性は、圧縮速度が増加するにつれて増加し、天然軟骨組織の粘弾性を示し、模倣する。3Dプリント中のインクの均質かつ連続的な流れは最も重要な点です。

この方法は、ナノセルロースヒドロゲルを3Dプリント可能なプラットフォームとして使用して、他の応用領域に拡大するために研究者によって使用されます。例えば、我々は、同じ手順に従って制御薬物放出のためのナノセルロースベースのハイブリッドを既に開発しています。