Ученые предложили новый материал для капельной 3D-биопечати
Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) вместе с коллегами из Сургутского госуниверситета изучили динамику растекания и конвективного испарения капель раствора поликапролактона — популярного биополимера для создания скаффолдов для регенерации костной ткани. Эксперименты показали, что поликапролактон перспективен для использования в капельной печати. Это наиболее точный и щадящий метод 3D-биопечати, позволяющий получать изделия с большим разрешением.
Поликапролактон — один из наиболее перспективных биоразлагаемых алифатических полиэфиров. Среди его преимуществ — нетоксичность, высокая биосовместимость с тканями, механическая прочность, низкая скорость разложения и меньшее количество кислых продуктов разложения. Технология 3D-биопечати позволяет создавать из поликапролактона сложные трехмерные структуры — скаффолды, используемые в биомедицине и тканевой инженерии. Подобные структуры содержат биологически активные компоненты, способные стимулировать регенерацию костной ткани.
Наиболее распространенная технология для формирования трехмерных скаффолдов на основе поликапролактона, ввиду его термопластичности, — это метод экструзии. Однако он отличается низким — от нескольких сотен микрометров до миллиметра — разрешением, по сравнению с другими методами 3D-печати. Кроме того, использование данного метода может негативно влиять на жизнеспособность клеток, содержащихся в биочернилах.
«Технология капельной печати (DOD-печати) считается более перспективной с точки зрения высокой точности пространственного размещения биоматериалов в трехмерной структуре. 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», — рассказала один из авторов статьи, аспирант Инженерной школы энергетики Александра Пискунова.
В рамках исследования ученые экспериментально изучили динамику растекания и конвективного испарения капель раствора поликапролактона с разной концентрацией полимера (1, 4, 7 и 10 мас. %). Концентрации полимера выбирались таким образом, чтобы, с одной стороны обеспечить текучесть раствора, а с другой — поддерживать максимально возможное содержание полимера в капле. После этого на испытательном стенде проводили экспериментальное исследование воздействия капли полимерного раствора на однородную поверхность полированного сапфирового стекла, на которой после испарения растворителя формировался слой полимера.
Затем авторы проанализированы динамические характеристики — максимальный коэффициент растекания капель и безразмерный диаметр остаточной полимерной пленки, а также исследовали с помощью высокоскоростной видеозаписи и сканирующей электронной микроскопии механизм фазового перехода динамики образования остаточной полимерной пленки и ее конечную морфологию.
Эксперименты показали, что раствор поликапролактона перспективен в качестве биочернил для капельной печати. Кроме того, было выявлено, что для многослойной печати следует использовать растворы с более низкой (1–4 мас. %) концентрацией поликапролактона, тогда как растворы с более высокой концентрацией (7–10 мас. %) рекомендованы для однослойной печати в тканевой инженерии.
По словам ученых, полученные данные помогут сформулировать практические рекомендации по обеспечению высокой точности формирования биополимерного слоя при капельной 3D-печати.