Томские ученые исследовали поведение капролактона при капельной 3D-печати

Исследователи из Томского политехнического университета совместно с коллегами из Сургутского государственного университета изучили динамику растекания и конвективного испарения капель раствора поликапролактона — популярного биополимера для создания скаффолдов, используемых в регенеративной медицине, сообщает пресс-служба ТПУ. Эксперименты показали, что поликапролактон перспективен для использования в капельной печати (DOD, drop-on-demand). Это точный и щадящий метод 3D-биопечати, позволяющий получать изделия с высоким разрешением.

Скаффолды — опорные структуры, содержащие биологически активные компоненты для стимулирования регенерации тканей и засеиваемые живыми клетками. Используемые в 3D-печати скаффолдов биополимеры должны отвечать требованиям по биосовместимости, биоразлагаемости, стерилизации и нетоксичности. Поликапролактон — один из наиболее перспективных биоразлагаемых алифатических полиэфиров, отличающийся нетоксичностью, высокой биосовместимостью, низкой скоростью разложения и малым количеством кислых продуктов разложения.

Наиболее распространенная технология формирования трехмерных скаффолдов на основе поликапролактона — экструдирование, однако этот метод обладает низким разрешением — от нескольких сотен микрометров до миллиметра. Кроме того, сопровождающаяся нагреванием экструзионная 3D-печать может отрицательно влиять на жизнеспособность клеток, содержащихся в биочернилах.

«Технология капельной печати считается более перспективной с точки зрения высокой точности пространственного размещения биоматериалов в трехмерных структурах. Кроме того, капельный метод более щадящий, так как в нем используются полимеры с низкой вязкостью, быстро проходящие через сопло, что значительно, часто на 80-95%, повышает жизнеспособность клеток после печати. В связи с этим поликапролактон было бы перспективно использовать в качестве биочернил в технологии DOD 3D-печати, а также провести детальное исследование растекания и осаждения отдельной капли этого полиэфира для прогнозирования формы, размера и морфологии остаточной полимерной пленки», — рассказала аспирантка Инженерной школы энергетики ТПУ Александра Пискунова.

Ученые экспериментально исследовали динамику растекания и конвективного испарения капель раствора поликапролактона с разной концентрацией полимера — 1, 4, 7 и 10 процентов от общей массы. Для предотвращения образования жидкостных мостов, формируемых при отделении капель от сопла и способных влиять на структурные свойства материалов, в растворы добавляли поверхностно-активное вещество. После этого на испытательном стенде проводились исследования воздействия капель полимерного раствора на однородную поверхность полированного сапфирового стекла, на которой после испарения растворителя формировались слои полимера.

«Затем были проанализированы динамические характеристики — максимальный коэффициент растекания капель и безразмерный диаметр остаточной полимерной пленки. Механизм фазового перехода динамики образования остаточной полимерной пленки и ее конечная морфология исследовались с помощью высокоскоростной видеозаписи и сканирующей электронной микроскопии», — рассказала Александра Пискунова.

Эксперименты показали, что раствор поликапролактона перспективен в качестве биочернил для капельной печати, и что для многослойной печати следует использовать растворы с концентрацией поликапролактона на уровне 1-4%. Растворы с массовой долей полимера от семи до десяти процентов рекомендованы для однослойной печати в тканевой инженерии. Также установлено, что выбор начальной концентрации полимера определяет не только морфологию остаточной полимерной пленки, но и механизм конвекции.

По словам ученых, полученные данные и выводы помогут сформулировать практические рекомендации по обеспечению высокой точности формирования биополимерного слоя при капельной 3D-печати.

Результаты исследования опубликованы в издании International Journal of Heat and Fluid Flow. 

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru