《Scientific reports》：生物3D打印海藻酸-明膠多層介觀結構

來源：奇遇科技

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

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




  研究簡介  

在生物醫(yī)學領域，基于擠出的3D生物打印是一項制造組織替代物的新技術，但目前仍苦于無法找到合適的生物墨水和可重復的程序，以確保良好的可打印性，并制備出具有高形狀保真度、與設計模型相似、可控制機械性能的最終打印結構。本研究的主要目標是3D打印海藻酸-明膠(AG)水凝膠的多層結構，并量化其復雜的力學性能，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冷步驟和優(yōu)化打印參數(shù)的過程，以控制和提高AG水凝膠的流變性和印刷性研究。通過這一過程，AG水凝膠的可打印性和流動穩(wěn)定性得到了顯著的提升，并成功地制造出與設計模型相似的結構。隨后的復雜力學分析表明，擠出過程和介觀結構(以孔徑、層高和長絲直徑為特征)顯著改變了打印材料的復雜力學響應。

本研究結果對于未來的3D生物打印應用具有重要意義，特別是在軟組織工程中生產(chǎn)具有良好結構完整性和類似于天然組織的明確機械性能的替代品時。

研究內(nèi)容解讀  

本研究旨在制備出精確的打印結構，以研究擠出工藝和不同的介觀結構對3D打印結構最終力學性能的影響。研究人員開發(fā)了一種改進的、可重復的AG生物墨水生物打印程序，根據(jù)流變測量和打印性能研究增加一個冷卻步驟，并確定適當?shù)拇蛴�參�?shù)。這樣就可以成功地打印多層樣品，并對幾何參數(shù)進行精確控制。同時表征和比較成型和打印圓柱形樣品，以研究擠出工藝對產(chǎn)生的機械性能的影響。最后制作了不同絲徑、孔徑和層高的水凝膠結構，以評估不同介觀結構對循環(huán)壓張和應力松弛加載時最終結構復雜響應的影響。



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


圖2 冷卻步驟對AG生物墨水流變性能的影響。


圖3 AG生物墨水的可打印適性測試。



圖4 打印參數(shù)對長絲寬度的影響。


圖5 打印樣品與模制樣品的力學性能比較。


圖6 AG生物墨水打印不同介觀結構的設計參數(shù)和CAD模型。


圖7七種打印圖案的光學圖像及其結構完整性。

研究結論  

本研究成功地打印了具有高度幾何參數(shù)控制的多層結構，使用了一種新的程序，包括冷卻過程和基于流變測試的優(yōu)化打印參數(shù)，以提高AG生物墨水的打印性，并證明了擠出過程顯著地改變了打印水凝膠結構的機械性能。不同的3D打印結構具有不同的層高、孔徑和纖維直徑，并產(chǎn)生不同的機械性能-最大應力范圍為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力松弛行為。
研究結果強調(diào)了幾何特性在調(diào)節(jié)生物打印結構的機械行為方面的重要性，這對未來設計具有不同機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用領域。所提出的制備和打印AG水凝膠的方法也與細胞生物打印方法兼容，并可在未來用于打印具有不同幾何形狀和機械性能的精確細胞負載結構。