《Scientific reports》：生物3D打印海藻酸-明膠多層介觀結(jié)構(gòu)

來(lái)源：奇遇科技

2023年7月12日，德國(guó)弗里德里希-亞歷山大大學(xué)的研究人員在《Scientific reports》上發(fā)表題為Multilayer 3D bioprinting and complex mechanical properties of alginate-gelatin mesostructures的研究論文，報(bào)道了通過(guò)3D打印海藻酸-明膠(AG)水凝膠制備了精細(xì)介觀結(jié)構(gòu)，并確定了適當(dāng)?shù)拇蛴�參�?shù)以提高結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-38323-2

研究簡(jiǎn)介  
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基于擠出的3D生物打印是一項(xiàng)制造組織替代物的新技術(shù)，但目前仍苦于無(wú)法找到合適的生物墨水和可重復(fù)的程序，以確保良好的可打印性，并制備出具有高形狀保真度、與設(shè)計(jì)模型相似、可控制機(jī)械性能的最終打印結(jié)構(gòu)。本研究的主要目標(biāo)是3D打印海藻酸-明膠(AG)水凝膠的多層結(jié)構(gòu)，并量化其復(fù)雜的力學(xué)性能，分析擠出工藝和幾何參數(shù)的影響。

本文介紹了一種包括預(yù)冷步驟和優(yōu)化打印參數(shù)的過(guò)程，以控制和提高AG水凝膠的流變性和印刷性研究。通過(guò)這一過(guò)程，AG水凝膠的可打印性和流動(dòng)穩(wěn)定性得到了顯著的提升，并成功地制造出與設(shè)計(jì)模型相似的結(jié)構(gòu)。隨后的復(fù)雜力學(xué)分析表明，擠出過(guò)程和介觀結(jié)構(gòu)(以孔徑、層高和長(zhǎng)絲直徑為特征)顯著改變了打印材料的復(fù)雜力學(xué)響應(yīng)。

本研究結(jié)果對(duì)于未來(lái)的3D生物打印應(yīng)用具有重要意義，特別是在軟組織工程中生產(chǎn)具有良好結(jié)構(gòu)完整性和類(lèi)似于天然組織的明確機(jī)械性能的替代品時(shí)。

研究?jī)?nèi)容解讀  
本研究旨在制備出精確的打印結(jié)構(gòu)，以研究擠出工藝和不同的介觀結(jié)構(gòu)對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)最終力學(xué)性能的影響。研究人員開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的、可重復(fù)的AG生物墨水生物打印程序，根據(jù)流變測(cè)量和打印性能研究增加一個(gè)冷卻步驟，并確定適當(dāng)?shù)拇蛴�參�?shù)。這樣就可以成功地打印多層樣品，并對(duì)幾何參數(shù)進(jìn)行精確控制。同時(shí)表征和比較成型和打印圓柱形樣品，以研究擠出工藝對(duì)產(chǎn)生的機(jī)械性能的影響。最后制作了不同絲徑、孔徑和層高的水凝膠結(jié)構(gòu)，以評(píng)估不同介觀結(jié)構(gòu)對(duì)循環(huán)壓張和應(yīng)力松弛加載時(shí)最終結(jié)構(gòu)復(fù)雜響應(yīng)的影響。

圖1 用于優(yōu)化打印過(guò)程的基本步驟示意圖:使用預(yù)冷卻步驟結(jié)合流變測(cè)量和可打印性測(cè)試，制備高度可打印的AG生物墨水，以創(chuàng)建具有可變介觀結(jié)構(gòu)和粘彈性的不同3D結(jié)構(gòu)。

圖2 冷卻步驟對(duì)AG生物墨水流變性能的影響。

圖4 AG生物墨水的可打印適性測(cè)試。

圖6 打印參數(shù)對(duì)長(zhǎng)絲寬度的影響。

圖7 打印樣品與模制樣品的力學(xué)性能比較。

圖9 AG生物墨水打印不同介觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)和CAD模型。

圖10 七種打印圖案的光學(xué)圖像及其結(jié)構(gòu)完整性。

研究結(jié)論  
本研究成功地打印了具有高度幾何參數(shù)控制的多層結(jié)構(gòu)，使用了一種新的程序，包括冷卻過(guò)程和基于流變測(cè)試的優(yōu)化打印參數(shù)，以提高AG生物墨水的打印性，并證明了擠出過(guò)程顯著地改變了打印水凝膠結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。不同的3D打印結(jié)構(gòu)具有不同的層高、孔徑和纖維直徑，并產(chǎn)生不同的機(jī)械性能-最大應(yīng)力范圍為1.05至4.23 kPa的張力和1.62至4.69 kPa的壓力以及改變的應(yīng)力松弛行為。

研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了幾何特性在調(diào)節(jié)生物打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械行為方面的重要性，這對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)具有不同機(jī)械性能的不同組織的模擬材料具有重要意義，特別是軟組織工程應(yīng)用領(lǐng)域。所提出的制備和打印AG水凝膠的方法也與細(xì)胞生物打印方法兼容，并可在未來(lái)用于打印具有不同幾何形狀和機(jī)械性能的精確細(xì)胞負(fù)載結(jié)構(gòu)。