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研究人員開發(fā)出創(chuàng)建3D打印支架組織的LDM新技術(shù)

時間:2017-01-13 22:58 來源:3D虎 作者:中國3D打印網(wǎng) 閱讀:

    隨著生物3D打印技術(shù)的發(fā)展,許多形式的3D打印活組織通常在生物3D打印的一般類別下分組在一起,但是這些方法是變化的,以致于它們中的一些幾乎不相似。生物打印的整個概念仍然難以包裝,但科學(xué)家們則不斷提出該技術(shù)的新變化。

     技術(shù)中的主要不同因素之一是如何創(chuàng)建支架。當(dāng)印刷細(xì)胞發(fā)育和生長時,用于給印刷細(xì)胞以結(jié)構(gòu)的支架是生物打印過程的關(guān)鍵組成部分,并且如何產(chǎn)生支架關(guān)系到成功或失敗。臺灣的一組研究人員開發(fā)了一種使用稱為冷凍形式的新方法(也稱為低溫沉積制造)來制造支架。

     在題為“Design and Development of a Novel Frozen-Form Additive Manufacturing System for Tissue Engineering Applications”的論文中,研究人員解釋了為什么添加劑制造已經(jīng)成為制造支架的越來越流行的方法,這是因為該技術(shù)允許科學(xué)家具有精確的控制打印支架的尺寸、形狀和孔隙度,以實現(xiàn)特定患者的定制化需要。

     然而,3D打印組織支架的最常見的方法是SLS、SLA和FDM,每個都有它們的缺點。研究人員指出,SLS在可以使用的材料方面受到限制,而對于SLA,樹脂材料中的光引發(fā)劑會留下殘留物或副產(chǎn)物,其對嵌入支架中的細(xì)胞具有毒性作用。用FDM技術(shù)制造的支架具有優(yōu)異的機(jī)械性能,但它們需要高溫,并且當(dāng)它們冷卻時趨于收縮和變形。

    “在我們以前的FDM研究中,PLA22和聚乳酸【乙醇酸共聚物(PLGA)】已經(jīng)被用作建筑材料,”研究人員說。“我們發(fā)現(xiàn),在FDM工藝之后,PLGA的平均分子量降低到其原始值,約22.4%。這是因為在熔融擠出過程中發(fā)生熱水解,這傾向于降低支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。與SLS一樣,就生長因子而言,F(xiàn)DM的操作溫度對于生物分子來說是過高的。因此,將生物分子摻入支架是困難的。”

為了規(guī)避這些問題,研究團(tuán)隊開發(fā)了稱之為“偽FDM”的技術(shù),也稱為低溫沉積建模(LDM)。

“LDM的原理與FDM的原理相似,除了需要低溫冷卻平臺,并且材料擠出機(jī)使用的是注射器或螺桿,而不是傳統(tǒng)的擠出機(jī),”研究人員說。“LDM將溶解在溶劑中的聚合物沉積到低溫冷卻平臺中。該平臺的溫度遠(yuǎn)低于溶劑的結(jié)晶溫度(即凝固點)。因此,聚合物溶液快速凍結(jié),并且發(fā)生熱致相分離過程。在已經(jīng)應(yīng)用并處理冷凍干燥后,提取溶劑,并且聚合物保持支架形狀。”

     LDM的優(yōu)點是許多的,使用該技術(shù)制作的支架可以是大孔和微孔的,并且生物分子或生物活性化合物可以在構(gòu)建過程中摻入。聚合物的分子量幾乎不受該方法的影響,并且該技術(shù)適用于多種合成或天然大分子材料,例如殼聚糖、藻酸鹽、PLA、聚乙醇酸(PGA),PCL、PLGA和聚氨酯。LDM方法涉及將液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w,這就是為什么它被稱為冷凍形式方法(FFM),或者是冷凍形式的添加劑制造系統(tǒng)(FFAMS)。

     對于FFM過程中創(chuàng)建低溫環(huán)境有幾種不同的方法,但是它們各自也有它們的缺點。因此,研究團(tuán)隊決定開發(fā)一種創(chuàng)造低溫環(huán)境的新方法,這將產(chǎn)生一個緊湊、實用的FFAM機(jī)器。為此,他們首先設(shè)計了一個使用四個冷卻板來形成的外殼或“冷卻區(qū)域”的均勻低溫裝置(UCD)。設(shè)計成使其能夠在冷卻區(qū)域內(nèi)上下移動的工作板,同時也是放置在內(nèi)部作為可以在其上進(jìn)行沉積材料的構(gòu)造板。在每一層沉積之后,將板降低,使得下一層可以在與前一層完全相同的高度處沉積,從而確保一致的溫度。

    UCD只是系統(tǒng)的一個模塊。材料分配器模塊由氣動流體分配器組成,其充當(dāng)擠出機(jī)。研究人員將基于PCL的水性聚氨酯的混合物放入其中,然后他們通過用材料3D打印支架,在每個層沉積時測量溫度,以及確定用于不同支架形狀的最佳噴嘴直徑和層厚度來進(jìn)行實驗。而不是像大多數(shù)FFM方法那樣使用笛卡爾系統(tǒng),他們使用的是SCARA機(jī)器人的運(yùn)動模塊,這可以給他們更多的靈活性。

    “在我們的研究中,低溫冷卻區(qū)域被設(shè)計為適合在一個小空間內(nèi),以便足夠的空間使SCARA用于各種類型的工作站,如一個細(xì)胞播種平臺,”團(tuán)隊指出。“因此,F(xiàn)FAMS可以擴(kuò)展為多功能系統(tǒng)或用于生產(chǎn)支架的連續(xù)生產(chǎn)線,以實現(xiàn)商業(yè)化。

     總體而言,研究人員的研究產(chǎn)生了具有高潛力的柔性支架,用于將來在組織工程和軟組織修復(fù)中應(yīng)用。雖然研究集中于具有如管和正方形等簡單形狀的支架的生產(chǎn),他們打算在未來繼續(xù)他們的研究,以開發(fā)復(fù)雜的支架模擬生物系統(tǒng),以及更大、更高的支架,用于創(chuàng)建軟骨組織,如鼻子、耳朵和氣管。

    本研究的研究人員包括中央大學(xué)機(jī)械工程系的Chau-Yaug Liao、Wei-Jen Wu和Ching-Shiow Tseng ;國立臺灣大學(xué)高分子科學(xué)與工程研究所Cheng-Tien Hsieh和Shan-hui Hsu ;和國防醫(yī)學(xué)中心三部總醫(yī)院外科學(xué)部塑料與重建外科司Niann-Tzyy Dai。


(責(zé)任編輯:admin)

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