Ученые доказали, что популярный биополимер перспективен для капельной 3D-печати

Результаты опубликованы в журнале International Journal of Heat and Fluid Flow (Q1, IF: 3.1).

Технология 3D-биопечати позволяет создавать сложные трехмерные структуры – скаффолды, используемые в биомедицине и тканевой инженерии. Подобные структуры содержат биологически активные компоненты, способные стимулировать регенерацию костной ткани. Для методов 3D-культивирования клеток на основе скаффолдов используются различные биополимеры, которые должны отвечать ряду требований – быть биосовместимыми, биоразлагаемыми, легко стерилизуемыми и нетоксичными. 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.

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. В связи с этим поликапролактон было бы перспективно использовать в качестве биочернил в технологии DOD-печати, а также провести детальное исследование растекания и осаждения отдельной капли этого полиэфира для прогнозирования формы, размера и морфологии остаточной полимерной пленки», – говорит 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. Также в раствор для предотвращения образования жидкостных мостов (тонких «хвостов» жидкости, формируемых при отделении капли от сопла, – ред.), способных повлиять на структурные свойства материалов, добавляли поверхностно-активное вещество (сорбитан моноолеат). Затем на испытательном стенде проводилось экспериментальное исследование воздействия капли полимерного раствора на однородную поверхность полированного сапфирового стекла, на которой после испарения растворителя формировался слой полимера. Диаметр и начальная скорость капель составляли 2,0 ± 0,1 мм и 0,44 м/с соответственно.

«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», – добавляет Александра Пискунова.

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 его концентрацией (7–10 мас.%) 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.

В исследовании принимали участие сотрудники НОЦ И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ и Сургутского государственного университета.