Naukowcy opracowują twarde hydrożele do zastosowań druku 3D w naprawie miękkich tkanek nośnych

Pęczniejące wodą sieci polimerowe, które znamy jako hydrożele, mają wiele zastosowań w przemyśle biomedycznym, ale aby je wykorzystać do naprawy i regeneracji obciążonych tkanek miękkich, takich jak chrząstka, naczynia krwionośne i ścięgna, musimy tworzyć twardsze biodegradowalne hydrożele. Tak właśnie powstał zespół naukowców z University of Twente, Utrecht University i University Medical Center (UMC) Utrecht.

Naukowcy opublikowali artykuł pod tytułem "Termoplastyczne PCL-b Poliuretany -PEG-b-PCL i HDI do trójwymiarowego drukowania twardych hydrożeli "polegające na opracowaniu twardych hydrożeli na bazie poliuretanów termoplastycznych (TPU), które charakteryzują się wysoką ciągliwością i mogą być przetwarzane przez wytłaczanie oparte na druku 3D.

TPU oparte na poli (glikolu etylenowym) lub PEG mogą być zaprojektowane do tworzenia fizycznych sieci hydrożeli, które pobierają dużo wody - idealne do pracy z ładunkiem noszenie miękkich tkanek CD3D .

Streszczenie brzmi: "Nowe materiały hydrożelowe są wymagane do drukowania w 3D. W tym przypadku seria termoplastycznych poliuretanów (TPU) na bazie kopolimerów trójblokowych poli (ɛ-kaprolaktonu) -b-poli (glikolu etylenowego) -b-poli (ɛ-kaprolaktonu) (PCL-b-PEG-b-PCL) i heksametylenu diizocyjanian (HDI) opracowano z zawartością PEG wahającą się między 30 a 70% molowych. Wykazały one doskonałe właściwości mechaniczne nie tylko w stanie suchym, ale także po uwodnieniu: TPU wytworzone z PCL-b-PEG-b-PCL z PEG Mn 6 kg / mol (PCL7-PEG6-PCL7) przyjęły 122% wagowy po uwodnieniu i miał moduł sprężystości E wynoszący 52 ± 10 MPa, wytrzymałość na rozciąganie 17 ± 2 MPa i odkształcenie przy zerwaniu 1553 ± 155% w stanie uwodnionym. Mieli energię pękania 17976 ± 3011 N / mm2 i wysoką energię rozdarcia 72 kJ / m2. TPU wytworzone z zastosowaniem PEG z Mn 10 kg / mol (PCL5-PEG10-PCL5) objęły 534% wody i były bardziej elastyczne. Gdy były mokre, miały moduł E 7 ± 2 MPa, wytrzymałość na rozciąganie 4 ± 1 MPa i odkształcenie przy zerwaniu 147 ± 41%. Te hydrożele miały energię pękania 513 ± 267 N / mm2 i energię rozrywającą 16 kJ / m2. Ta ostatnia TPU została najpierw wytłoczona na filamenty, a następnie przetworzona na porowate konstrukcje hydrożelowe za pomocą druku 3D. Hydrożele te można stosować w drukowaniu 3D rusztowań inżynierii tkankowej o wysokiej odporności na kruche pękanie. "

Twarde hydrożele opracowane przez zespół wykorzystywały reakcjękopolimery trójblokowe poli (ɛ-kaprolaktonu) -b-poli (glikolu etylenowego) -b-poli (ɛ-kaprolaktonu) (PCL-b-PEG-b-PCL) i diizocyjanianu heksametylenu z wytworzeniem TPU.

W tym wieloblokowym kopolimerze PEG sprawi, że materiał będzie hydrofilowy, a hydrofobowy składnik PCL pomaga utrwalić strukturę podczas drukowania 3D, a także tworzy sieciujące wiązania w stanie uwodnionym.

"Literatura na temat poliuretany wytworzone z kopolimerów trójblokowych PCL-PEG-PCL są bardzo ograniczone "- wyjaśniają naukowcy. "Jednak masa molowa użytych kopolimerów trójblokowych była znacznie niższa niż w przypadku użytych przez nas kopert. W tym artykule nie określono właściwości mechanicznych w stanie mokrym i poboru wody. W naszym przypadku stosowaliśmy kopolimery trójblokowe o znacznie wyższych masach molowych. Prowadzi to do materiałów o doskonałej przetwarzalności i bardzo dobrych właściwościach mechanicznych w stanie uwodnionym. Pokazujemy również ich przetwarzalność poprzez drukowanie 3D metodą ekstruzji z wykorzystaniem konwencjonalnego dostępnego na rynku sprzętu. "

W celu potwierdzenia materiału użyto kilku testów i analiz, takich jak spektroskopia NMR i różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC). skład chemiczny, struktura, masa molowa i lepkość; wykonano również próby rozciągania. Następnie zespół wyciął sprasowane folie polimerowe na małe kawałki i wytłoczył je wytłaczarką z włókna Noztek Pro, przed odebraniem wytłaczanych włókien, chłodząc je powietrzem i stosując je do drukowania 3D zaprojektowanych konstrukcji na drukarce 3D Ultimaker 2+ pod 1 mm na sekundę.

"Termoplastyczne poliuretany oparte na kopolimerach triblokowych PCL-b-PEG-b-PCL można wytwarzać w reakcji trójblokowych kopolimerów z diizocyjanianem heksametylenu. W zależności od zawartości PEG, zsyntetyzowane materiały TPU- (PCL-b-PEG-b-PCL) mogą przyjmować duże ilości wody powyżej 500%. Pozwala to na stosowanie ich jako biodegradowalnych termoplastycznych hydrożeli. Co więcej, wykazano, że te materiały mają doskonałe właściwości mechaniczne, wykazujące wysoką wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie przy zerwaniu, wytrzymałość i odporność na rozdarcie w stanie suchym, jak również w stanie silnie spiętrzonym wodą ", podsumowują naukowcy. "Ta praca wykazała, że ​​te zaawansowane materiały termoplastyczne można łatwo przetwarzać w zaprojektowane struktury hydrożelowe za pomocą modelowania topionego stopu przy użyciu konwencjonalnych urządzeń, dzięki czemu można je stosować w różnych zastosowaniach biomedycznych. Przyszłe prace będą dotyczyły optymalizacji procesu drukowania iwłaściwości budowanych struktur bardziej szczegółowo. "