Оптимизация параметров 3D-печати гидрогелем альгината натрия

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).

гидрогель, альгинат натрия, 3D-печать, «поддерживающая» суспензия, экструдер-шприц, параметры 3D-печати

1. Зотова, 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.

2. Шустова, В. А. Применение 3D-технологий в ортопедической стоматологии / В. А. Шустова, М. А. Шустов. - СПб.: СпецЛит, 2016. - 159 с.

3. 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)

4. 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.

5. 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.36036

6. Self-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.1602800

7. 3D 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.201501099

8. Three-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.1500758

9. Хотимченко, Ю. С. Углеводные биополимеры для адресной доставки белковых препаратов, нуклеиновых кислот и полисахаридов / Ю. С Хотимченко // Тихоокеан. мед. журн. - 2014. - № 2. - С. 5-13.

10. 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.

11. Щипунов, 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.

12. 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.

13. Немцева, М. П. Реологические свойства коллоидных систем :учеб. пособие / М. П. Немцева, Д. В. Филиппов, А. А. Федорова. - Иваново: ИГХТУ, 2016. - 61 с.