《Scientific reports》：生物3D打印海藻酸-明胶多层介观结构

来源：奇遇科技

2023年7月12日，德国弗里德里希-亚历山大大学的研究人员在《Scientific reports》上发表题为Multilayer 3D bioprinting and complex mechanical properties of alginate-gelatin mesostructures的研究论文，报道了通过3D打印海藻酸-明胶(AG)水凝胶制备了精细介观结构，并确定了适当的打印参数以提高结构的机械性能。

原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-38323-2




  研究简介  

在生物医学领域，基于挤出的3D生物打印是一项制造组织替代物的新技术，但目前仍苦于无法找到合适的生物墨水和可重复的程序，以确保良好的可打印性，并制备出具有高形状保真度、与设计模型相似、可控制机械性能的最终打印结构。本研究的主要目标是3D打印海藻酸-明胶(AG)水凝胶的多层结构，并量化其复杂的力学性能，分析挤出工艺和几何参数的影响。

本文介绍了一种包括预冷步骤和优化打印参数的过程，以控制和提高AG水凝胶的流变性和印刷性研究。通过这一过程，AG水凝胶的可打印性和流动稳定性得到了显著的提升，并成功地制造出与设计模型相似的结构。随后的复杂力学分析表明，挤出过程和介观结构(以孔径、层高和长丝直径为特征)显著改变了打印材料的复杂力学响应。

本研究结果对于未来的3D生物打印应用具有重要意义，特别是在软组织工程中生产具有良好结构完整性和类似于天然组织的明确机械性能的替代品时。

研究内容解读  

本研究旨在制备出精确的打印结构，以研究挤出工艺和不同的介观结构对3D打印结构最终力学性能的影响。研究人员开发了一种改进的、可重复的AG生物墨水生物打印程序，根据流变测量和打印性能研究增加一个冷却步骤，并确定适当的打印参数。这样就可以成功地打印多层样品，并对几何参数进行精确控制。同时表征和比较成型和打印圆柱形样品，以研究挤出工艺对产生的机械性能的影响。最后制作了不同丝径、孔径和层高的水凝胶结构，以评估不同介观结构对循环压张和应力松弛加载时最终结构复杂响应的影响。



图1 用于优化打印过程的基本步骤示意图:使用预冷却步骤结合流变测量和可打印性测试，制备高度可打印的AG生物墨水，以创建具有可变介观结构和粘弹性的不同3D结构。


图2 冷却步骤对AG生物墨水流变性能的影响。


图3 AG生物墨水的可打印适性测试。



图4 打印参数对长丝宽度的影响。


图5 打印样品与模制样品的力学性能比较。


图6 AG生物墨水打印不同介观结构的设计参数和CAD模型。


图7七种打印图案的光学图像及其结构完整性。

研究结论  

本研究成功地打印了具有高度几何参数控制的多层结构，使用了一种新的程序，包括冷却过程和基于流变测试的优化打印参数，以提高AG生物墨水的打印性，并证明了挤出过程显著地改变了打印水凝胶结构的机械性能。不同的3D打印结构具有不同的层高、孔径和纤维直径，并产生不同的机械性能-最大应力范围为1.05至4.23 kPa的张力和1.62至4.69 kPa的压力以及改变的应力松弛行为。
研究结果强调了几何特性在调节生物打印结构的机械行为方面的重要性，这对未来设计具有不同机械性能的不同组织的模拟材料具有重要意义，特别是软组织工程应用领域。所提出的制备和打印AG水凝胶的方法也与细胞生物打印方法兼容，并可在未来用于打印具有不同几何形状和机械性能的精确细胞负载结构。