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

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。采用計算流體動力學(xué)(CFD)模擬方法，對油墨在噴口通道中的流動進行了模擬。通過對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)油墨對打印纖維的影響機理。以具有對稱截面的油墨為例，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)計和制造的新工作流程，這種方法可以豐富E3DP，同時促進異質(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是控制材料組分的分布，可以設(shè)想利用單個泵控制打印頭將結(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)計并建模了具有圖案的模具，以制造具有核殼和對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，對結(jié)構(gòu)油墨的兩種組分進行了測定。通過從37℃到4℃的溫度掃描測試，存在損耗模量與存儲模量相等的數(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，還進行了振蕩頻率掃描，以確定油墨的機械光譜，并選擇1Hz進行振蕩應(yīng)變掃描(圖3C)。在振蕩應(yīng)變掃描測試中，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)。對油墨1的工藝參數(shù)進行評估，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)評價

圖5A展示了r0對擠壓纖維r1/r2的影響。對于某一噴嘴，r1/r2值隨著r0的增大而增大，這是因為當進口1和進口2流量固定時，材料擠壓體積與截面面積成正比。研究了2號入口不同組分的結(jié)構(gòu)油墨對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號進口不同組分對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)油墨對擠出纖維的影響機理及確定的預(yù)設(shè)油墨高度

進一步研究了具有對稱截面組件的結(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。詳細模擬了預(yù)先設(shè)定的材料組分和噴嘴規(guī)格對擠出纖維的影響(圖7A)。對于具有核殼截面的油墨，高度對擠壓纖維的物質(zhì)分布有顯著影響。因此，作者也模擬了不同高度的對稱截面油墨對纖維的影響(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、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、制備和打印結(jié)構(gòu)油墨)

如圖9所示，共印模型具有精細的結(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)有利于營養(yǎng)物質(zhì)向細胞的運輸，也可用于工程毛細血管。

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)

本文通過介紹獨特的結(jié)構(gòu)油墨的設(shè)計和制備方法，并通過演示E3DP工藝的可行性，報道了基于擠出式的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)計這種方法將為深入的支架制造帶來新的途徑，并預(yù)測這些嘗試將導(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)建的進展。

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