vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2019-64-1-7-13vestift-415Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYОптимизация параметров 3D-печати гидрогелем альгината натрияOptimization of 3D printing parameters with sodium alginate hydrogelДовыденкоЕ. М.DovydenkoYe. M.

Аспирант; младший научный сотрудник.

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск; ул. Ф. Скорины, 36, 220141, Минск.

Postgraduate Student;  Junior Researcher.

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk; 36, F. Skaryna Str., 220141, Minsk.

dovydenko.e93@mail.ruАгабековВ. Е.AgabekovV. Y.

Академик Национальной академии наук Беларуси, доктор химических наук, профессор, директор.

 ул. Ф. Скорины, 36, 220141, Минск.

Academician of the National Academy of Sciences of Belarus, D. Sc. (Chemistry), Professor, Director.

36, F. Skaryna Str., 220141, Minsk.

ichnm@ichnm.basnet.byЧижикС. А.ChizhikS. A.

Академик Национальной академии наук Беларуси, доктор технических наук, профессор, первый заместитель Председателя Президиума Национальной академии наук Беларуси; главный научный сотрудник.

пр. Независимости, 66, 220072, Минск; ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Sergey A. – Academician of the National Academy of Sciences of Belarus, D. Sc. (Engineering), Professor, First Deputy Chairman of the Presidium of the National Academy of Sciences of Belarus;  Chief Researcher.

66, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk; 15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

chizhik_sa@tut.byИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси; Институт химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси.A. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus; Institute of Chemistry of New Materials of the National Academy of Sciences of Belarus.Институт химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси.Institute of Chemistry of New Materials of the National Academy of Sciences of Belarus.Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси; Президиум Национальной академии наук Беларуси.A. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus; Presidium of the National Academy of Sciences of Belarus.201926032019641713Copyright © Довыденко Е.М., Агабеков В.Е., Чижик С.А., 20192019Довыденко Е.М., Агабеков В.Е., Чижик С.А.Dovydenko Y.M., Agabekov V.Y., Chizhik S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/415

С целью получения биологически совместимых объектов с механическими свойствами, близкими к живым тканям, проведена 3D-печать биосовместимым гидрогелем альгината натрия при комнатной температуре на модифицированном настольном 3D-принтере Up! Mini (производство PP3DP, Китай). Произведена замена стандартной печатающей головки на специальный экструдер-шприц для возможности экструзии гидрогеля, детали которого были изготовлены методом 3D-печати из ABS пластика. Из параметров были изменены стандартные скорости подачи материала и передвижения печатающей головки. Для точного воспроизведения размеров объектов методом 3D-печати из данного гидрогеля установлены следующие параметры: оптимальная концентрация альгината натрия (2,5 мас.%) в экструдируемом гидрогеле; состав «поддерживающей» желатиновой суспензии, которая фиксируется на печатном столике 3D-принтера и служит объемной поддержкой гидрогеля альгината натрия в процессе 3D-печати (10 г хлорида кальция CaCl2 и 13,5 г желатина типа А на 500 мл дистиллированной воды к обоим составам). Способ подготовки «поддерживающей» желатиновой суспензии включает перемешивание компонентов смеси, ее диспергирование при 9000 об/мин в течение 1 мин на диспергаторе IKA ULTRA-TURRAX T 25 digital, отстаивание при 4 °С в течение 4 ч, центрифугирование при 5500 об/мин в течение 3 мин, удаление супернатанта. Определены оптимальные скорость перемещения печатающей головки в процессе 3D-печати и скорость экструзии гидрогеля при формировании внешнего периметра печатающегося объекта (9–11 и 5 мм/с соответственно), а также скорость экструзии материала при формировании внутреннего заполнения модели (0,83 мм/с).

In order to obtain biologically compatible objects with mechanical properties close to living tissues, 3D printing with biocompatible sodium alginate hydrogel at room temperature on the modified desktop 3D printer Up! Mini (manufactured by PP3DP, China) was carried out. The standard print head was replaced with a special syringe-extruder to allow the extrusion of a hydrogel, the details of which were made by 3D printing from ABS plastic. Of the parameters, the standard material feed and print head movement rates were changed. For accurate reproduction of object sizes using 3D printing from this hydrogel the next parameters were established: the optimal concentration of sodium alginate in extruded hydrogel (2.5 wt.%); the composition of the “support” gelatin suspension, which was fixed on the printing table of a 3D printer and served as volumetric support for hydrogel (10 g of calcium chloride CaCl2 and 13.5 g of gelatin per 500 ml of distilled water). The method of its preparation includes 1 minute mixing of components blend, dispersion at 9000 rpm on IKA ULTRA-TURRAX T 25 digital disperser, 4 hours settling at 4 °C, 3 minutes centrifuging at 5500 rpm, removal of the supernatant. The optimal movement speed of the print head during 3D printing and the speed of extrusion of the hydrogel during the formation of the external perimeter of the printing object are 9–11 and 5 mm/s, respectively, as well as the speed of material extrusion during the formation of the internal filling of the model is 0.83 mm/s.

гидрогельальгинат натрия3D-печать«поддерживающая» суспензияэкструдер-шприцпараметры 3D-печатиhydrogelsodium alginate3D printing“support” suspensionsyringe-extruder3D printing optionsReferencesЗотова, А. А. Актуальность применения 3D-принтеров в современной стоматологии / А. А. Зотова, К. Д. Вдовенко // Бюлл. мед. Интернет-конференций. – 2015. – Т. 5, вып. 11. – С. 1284.Zotova A. A., Vdovenko K. D. The urgency of using 3D printers in modern dentistry. Byulleten’ meditsinskikh Internet-konferentsii = Bulletin of Medical Internet Conferences, 2015, vol. 5, no. 11, pp. 1284 (in Russian).Шустова, В. А. Применение 3D-технологий в ортопедической стоматологии / В. А. Шустова, М. А. Шустов. – СПб.: СпецЛит, 2016. – 159 с.Shustova V. A., Shustov M. A. Application of 3D Technologies in Orthopedic Dentistry. Saint Petersburg, SpetsLit Publ., 2016. 159 p. (in Russian).Выставка передовых технологий 3D-печати и сканирования [Электронный ресурс] // Медицина. – 2013–2017. – Режим доступа: https://3dexpo.ru/ru/recent-industry-news/meditsina/ – Дата доступа: 18.12.2017)Exhibition of advanced technologies for 3D printing and scanning. Meditsina, 2013–2017. Available: https://3dexpo.ru/ru/recent-industry-news/meditsina/ (accessed 18 December 2017) (in Russian).Тонкопленочные материалы на основе полисахаридов для клеточной инженерии / В. И. Куликовская [и др.] // Третий междисциплинарный молодежный научный форум «Новые материалы»: сб. материалов. – М., 2017. – С. 786–789.Kulikovskaya V. I., Gilevskaya K. S., Pinchuk S. V., Kraskovskii A. N., Matievskii K. A. Thinfilm materials based on polysaccharides for cellular engineering. Tretii mezhdistsiplinarnyi molodezhnyi nauchnyi forum «Novye materialy»: sbornik materialov [The 3rd Interdisciplinary Youth Scientific Forum “New Materials”: Collection of materials]. Мoscow, 2017, рр. 786–789 (in Russian).Bendtsen, S. T. Development of a novel alginate‐polyvinyl alcohol‐hydroxyapatite hydrogel for 3D bioprinting bone tissue engineered scaffolds / S. T. Bendtsen, S. P. Quinnell, M. Wei // J. Biomed. Mater. Res. A. – 2017. – Vol. 105, iss. 5. – P. 1457–1468. https://doi.org/10.1002/jbm.a.36036Bendtsen S. T., Quinnell S. P., Wei M. Development of a novel alginate-polyvinyl alcohol-hydroxyapatite hydrogel for 3D bioprinting bone tissue engineered scaffolds. Journal of Biomedical Materials Research, 2017, vol. 105, iss. 5, pp. 1457–1468. https://doi.org/10.1002/jbm.a.36036Self-assembled micro-organogels for 3D printing silicone structures / C. S. O’Bryan [et al.] // Science Advances. – 2017. – Vol. 3, N 5. – e1602800. https://doi.org/10.1126/sciadv.1602800O’Bryan C. S., Bhattacharjee T., Hart S., Kabb C. P., Schulze K. D., Chilakala I., Sumerlin B. S., Sawyer W. G., Angelini T. E. Self-assembled micro-organogels for 3D printing silicone structures. Science Advances, 2017, vol. 3, no. 5, e1602800. https://doi.org/10.1126/sciadv.16028003D Printing of Highly Stretchable and Tough Hydrogels into Complex, Cellularized Structures / S. Hong [et al.] // Advanced Materials. – 2015. – Vol. 27, iss. 27. – P. 4035–4040. https://doi.org/10.1002/adma.201501099Hong S., Sycks D., Hon Fai Chan, Shaoting Lin, Lopez G. P., Leong F. G. K. W., Xuanhe Zhao. 3D Printing of Highly Stretchable and Tough Hydrogels into Complex, Cellularized Structures. Advanced Materials, 2015, vol. 27, iss. 27, pp. 4035–4040. https://doi.org/10.1002/adma.201501099Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels / T. J. Hinton [et al.] // Sci. Adv. – 2015. – Vol. 1, iss. 9. – P. 1–10. https://doi.org/10.1126/sciadv.1500758Hinton T. J., Jallerat Q., Palchesko R. N., Park J. H., Grodzicki M. S., Hao-Jan Shue, Mohamed H. Ramadan, Hudson A. R., Feinberg A. W. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances, 2015, vol. 1, iss. 9, pp. 1–10. https://doi.org/10.1126/sciadv.1500758Хотимченко, Ю. С. Углеводные биополимеры для адресной доставки белковых препаратов, нуклеиновых кислот и полисахаридов / Ю. С Хотимченко // Тихоокеан. мед. журн. – 2014. – № 2. – С. 5–13.Khotimchenko Yu. S. Carbohydrate biopolymers for targeted delivery of protein preparations, nucleic acids and polysaccharides. Tikhookeanskii meditsinskii zhurnal = Pacific Medical Journal, 2014, no. 2, pp. 5–13 (in Russian).Усов, А. И. Альгиновые кислоты и альгинаты: методы анализа, определения состава и установления строения / А. И. Усов // Успехи химии. – 1999. – Т.68, № 11. – С. 1051–1061.Usov A. I. Alginic acids and alginates: analytical methods used for their estimation and characterisation of composition and primary structure. Russian Chemical Reviews, 1999, vol. 68, no. 11, pp. 957–966. https://doi.org/10.1070/rc1999v068n11abeh000532Щипунов, Ю. А. Гомогенные альгинатные гели: фазовое поведение и реологические свойства / Ю. А. Щипунов, Е. Л. Конева, И. В. Постнова // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. – 2002. – Т. 44, № 7. – С. 1201–1211.Shchipunov Yu. A., Koneva E. L., Postnova I. V. Homogeneous alginate gels: phase behavior and rheological properties. Vysokomolekulyarnye soedineniya. Ser. A = Polymer Science, Series A, 2002, vol. 44, no. 7, pp. 1201–1211 (in Russian).Skjåk‐Bræk, G. Application of alginate gels in biotechnology and biomedicine / G. Skjåk‐Bræk, T. Espevik // Carbohydr. Eur. – 1996. – Vol. 14, № 19. – P. 237–242.Skjåk‐Bræk G., Espevik T. Application of alginate gels in biotechnology and biomedicine. Carbohydrates in Europe, 1996, vol. 14, no. 19, pp. 237–242.Немцева, М. П. Реологические свойства коллоидных систем :учеб. пособие / М. П. Немцева, Д. В. Филиппов, А. А. Федорова. – Иваново: ИГХТУ, 2016. – 61 с.Nemtseva M. P., Filippov D. V., Fedorova A. A. Rheological properties of colloidal systems. Ivanovo, Ivanovo State University of Chemistry and Technology, 2016. 61 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.