Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Три критических шагов этого протокола i) разработки правильный состав и последовательность целлюлозы гидрогеля чернил, ii) 3D печать лесов в различные поры структур с хорошей форме верности и размеры и iii) демонстрация механические свойства в органом имитируемых условиях для регенерации хряща.
Эта работа демонстрирует использование трехмерных (3D) печати для производства пористых кубических леса с использованием чернил гидрогеля нанокомпозитных целлюлозы, с контролируемой поровой структуры и механических свойств. Нанокристаллов целлюлозы (зато, 69.62 wt %) чернила на основе гидрогеля с матрицей (альгинат натрия и желатин) была разработана и 3D напечатаны на подмости с единой и градиентные поровой структуры (110-1100 мкм). Подмости показан модуль сжатия в пределах 0,20-0,45 МПа при испытании в моделируется в естественных условиях условий (в дистиллированной воде при 37 ° C). Размер поры и сжатия модуль 3D подмостей, совпадают с требованиями, необходимые для приложений регенерации хряща. Эта работа показывает, что однородность чернил может управляться концентрация прекурсоров и пористость может управляться процесс 3D печати и оба этих фактора в свою очередь определяет механические свойства 3D печати пористые Гидрогель эшафот. Таким образом, этот процесс метод может использоваться для изготовления структурно и композиционно заказной леса согласно конкретным потребностям пациентов.
Целлюлозы – это полисахарид, состоящий из линейной цепи β единиц связанного D-глюкоза (1-4). Это наиболее распространенных природных полимеров на земле и добывается из целого ряда источников, включая морских животных (например, оболочники), растений (например, дерево, хлопок, солома) и бактериального происхождения, например водорослей (например, Валония), грибов и даже амебы (простейшие )1,2. Нановолокна целлюлозы (ГОК) и нанокристаллов (CNC) целлюлозы с по крайней мере одно измерение на наноуровне получаются путем механической обработки и кислотного гидролиза из целлюлозы. Они не только обладают свойствами целлюлозы, как потенциал для химической модификации, низкой токсичности, биосовместимость, биологически и возобновляемых, но он также имеет наноразмерных характеристик как высокой удельной площади поверхности, высокие механические свойства , реологических и оптические свойства. Эти привлекательные свойства сделали CNFs и зато подходит для биомедицинских приложений, главным образом в виде трехмерной (3D) гидрогеля помостами3. Эти строительные леса требуют индивидуальные размеры с контролируемой пористую структуру и взаимосвязанных пористость. Наша группа и другие сообщили 3D пористых целлюлозы нанокомпозитов, подготовленные путем литья, electrospinning и паром для лиофильной сушки4,5,6,,78. Однако, контроль на пористую структуру и изготовление сложной геометрии не достигается за счет этих традиционных методов.
3D печать — это метод аддитивного производства, в котором 3D объекты создаются слой за слоем через управляемый компьютером осаждения чернила9. Преимущества 3D печати через традиционные техники включает в себя свободу дизайна, контролируемые макро и микро размеров, изготовление сложных архитектур, настройки и воспроизводимость. Кроме того 3D печать CNFs и зато также предлагает сдвига индуцированной рядов наночастиц, предпочитали направленность, градиент пористости и может быть легко расширен для 3D подложке10,11,12, 13 , 14 , 15. Недавно, динамика зато был выравнивания во время 3D печать сообщила16,17. Достижения в области подложке должны включить 3D печатных тканей и органов, несмотря на участие вызов как выбор и концентрация живых клеток и факторов роста, состав чернил перевозчика, печать давления и диаметры сопла18 ,19,20.
Пористость и прочность хряща регенеративные подмостей являются важными свойствами, которые диктует его эффективности и производительности. Размер пор играет важную роль для адгезии, дифференциации и пролиферации клеток, а также для обмена питательных веществ и метаболические отходы21. Однако существует нет определенной поры, который можно рассматривать как идеальное значение, некоторые исследования показали выше отпорности с меньше поры, в то время как другие показали лучше регенерации хряща с большие поры. Macropores (< 500 мкм) облегчить минерализации тканей, снабжения питательными веществами и удаления отходов, а микропоры (150-250 мкм) облегчает клеток привязанность и лучше механических свойств22,23. Имплантированные леса должны иметь достаточную механическую целостность от времени обработки, имплантации и до завершения ее желаемой цели. Совокупный Модуль сжатия для естественных суставного хряща, как сообщается, находится в диапазоне 0,1-2 МПа в зависимости от возраста, пола и проверяемом месте4,24,25,26,27 ,,2829.
В нашей предыдущей работы113D печать был использован для изготовления пористые bioscaffolds двойной высокоструктурированные взаимопроникающих полимерных сети (IPN) из гидрогеля чернил, содержащего усиленные зато в матрице альгината натрия и желатина. 3D печать путь был оптимизирован для достижения 3D подмости с единой и градиентные поровой структуры (80-2125 мкм) где нанокристаллов предпочтительно ориентироваться в направление печати (степень ориентации между 61-76%). Здесь, мы представляем продолжение этой работы и демонстрирует, что влияние пористости на механические свойства 3D печати гидрогеля леса в органом имитируемых условиях. Зато, используемый здесь, ранее сообщили нам быть cytocompatible и нетоксичен (т.е. рост клеток после 15 дней инкубации было подтверждено30). Кроме того леса подготовлен через Плаурайта же зато, альгинат натрия и желатин показали высокую пористость, высокое поглощение фосфатный буфер и cytocompatibility сторону мезенхимальных стволовых клеток5. Цель этой работы заключается в демонстрации обработки чернила гидрогеля, 3D печать пористых строительных лесов и сжатия. Схемы обработки маршрут показан на рисунке 1.
1. Подготовка прекурсоров
2. Подготовка гидрогеля чернил
3. Измерение реологических свойств Гидрогель
NTE: Выполнить реологических свойств с помощью Гладкая геометрия конуса о пластины, CP25-2-SN7617, диаметр 25 мм, 2 ° Номинальный угол и высота разрыв 0.05 мм при 25 ° C.
4. файл подготовка для 3D печати
Примечание: Cura 2.4.0 программное обеспечение используется для проектирования 3D подмостей (320 мм), наличие трех типов поры. 1-uniform поры 0,6 мм, 2-форма поры 1,0 мм и 3-градиент поры диапазона 0,5-1 мм.
5. 3D печати пористых строительных лесов
6. сшивки 3D печати подмости
7. сжатие тестирование
Примечание: Выполните сжатие тесты с 100 Датчик нагрузки N в воде при температуре 37 ° C.
Зато на основе нанокомпозитных гидрогеля чернил показывает сильный неньютоновских ножниц прореживания поведение(рисунок 2). Очевидной вязкость 1.55 × 10-5 Pa.s на скорости сдвига низкой (0.001 s-1) падает на пять порядков значение 22.60 Pa.s на скорости сдвига 50 s<...
3D печать требует подходящей реологических свойств чернил гидрогеля. Высокая вязкость краски потребует экстремальные давления для его экструзии при низкой вязкости краски не будет поддерживать свою форму после экструзии. Вязкости краски, гидрогеля может управляться через концентрац?...
Авторы не имеют ничего сообщать.
Это исследование финансируется Alice Валленберга фонда (Валленберга древесины научный центр), Шведский исследовательский совет, VR (Bioheal, DNR 2016-05709 и DNR 2017-04254) и кнут.
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% |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены