Wykorzystanie symulacji do oceny jak dobrze drukowanie 3D Bioinks działa

Jednak ta technologia działa tylko wtedy, gdy naukowcy i lekarze mają dobre informacje na temat ... i skąd wiemy, że materiały są dobre? Jest to kosztowne, trudne i może zająć dużo czasu, aby ocenić, czy te wydruki mogą być drukowane w 3D. Dlatego wielu naukowców, takich jak zespół z Wallenberg Wood Science Centre (WWSC) w Szwecji, coraz bardziej polega na symulacjach komputerowych, aby zoptymalizować te biomateriały.

Kajsa Markstedt, doktorantka chemii oraz inżynieria chemiczna i technologia biopolimerów w WWSC, a jej koledzy niedawno nawiązali współpracę z inżynierią obliczeniowo-projektową Johana Göhla w Fraunhofer Chalmers Center (FCC), aby przetestować proces użycia narzędzia do obliczeniowej dynamiki płynów do modelowania sposobu wydawania bioinkli .

"Poza tym, że pozwala nam ocenić drukowność bioink, symulacje mogą również pomóc nam wybrać technikę drukowania, która powinna być zastosowana w zależności od docelowej tkanki. Takie techniki różnią się w zależności od lepkości i natury drukowanego atramentu, i obejmują druk atramentowy, indukowany laserowo transfer w przód, mikrodruk i wyciskanie bioprintingu ", powiedział Markstedt.

" Aby modelować w jaki sposób wydawane jest bioink, wykorzystaliśmy jego masowe natężenie przepływu i gęstość jako dane wejściowe w naszych obliczeniach. Parametry te są najczęściej oceniane w eksperymentach podczas drukowania projektów, takich jak linie, siatki lub cylindry. "

Zespół opublikował artykuł zatytułowany" Symulacje bioprogramowania 3D: przewidywanie bioprodukowalności farb nanofibrylowych "w dziennik biofabrykacji; współautorami są Göhl, Markstedt, Andreas Mark, Karl Håkansson, Paul Gatenholm i Fredrik Edelvik.

Streszczenie brzmi: "Aby spełnić różnorodne wymagania bioink, szeroki zakres materiałów i skład bioink są opracowywane i oceniane pod względem żywotności komórek, wydajności mechanicznej i drukowności. Ważne jest, aby wierność druku i wierności druku nie była zaniedbywana, ponieważ niepowodzenie w drukowaniu docelowej architektury może być katastrofalne dla przeżycia komórek i w konsekwencji funkcji drukowanej tkanki. Jednak eksperymentalna ocena zdolności drukowania bioinks jest czasochłonna i musi być utrzymywana na minimalnym poziomie, szczególnie w przypadku bioprogramowania 3D za pomocą komórek wartościowych i kosztownych. Artykuł ten pokazuje, w jaki sposób eksperymentalną ocenę można uzupełnić symulacjami komputerowymi w celu oceny nowo opracowanych bioinków.W tym celu wykorzystano komputerowe narzędzie do symulacji dynamiki płynów do badania wpływu różnych parametrów drukowania i oceny przewidywalności procesu drukowania. W oparciu o dane z pomiarów częstotliwości oscylacji ocenianych bioinków wykorzystano pełny model reologii naprężeń, w którym zarejestrowano lepkosprężyste zachowanie materiału. "

Według Markstedta najczęściej drukuje się zdolność do drukowania 3D określony przez stosunek szerokości linii do średnicy dyszy drukarki 3D, krzywiznę drukowanych linii 3D oraz liczbę warstw, które można wydrukować przed zwinięciem struktury. Naukowcy z FCC zastosowali również dynamiczny model kąta kontaktu, który wykorzystuje napięcie powierzchniowe i kąt kontaktu jako dane wejściowe, do zwilżalności "bioinksów" na substrakcji.

"W naszych symulacjach użyliśmy również ścieżki drukowania o strukturze siatki jako danych wejściowych ", powiedział Markstedt.

Pełny model reologii opierał się na zachowaniu lepkosprężystości materiału i danych częstotliwości oscylacji atramentu uzyskanych w eksperymentach zespołu. W przypadku bioinksu celulozy nanofibryli (CNF) o różnych właściwościach reologicznych symulacje dały wyniki podobne do wyników eksperymentalnych w badaniach laboratoryjnych. Dodatkowo, badacze mogli wykorzystać model komputerowy, śledzić proces drukowania 3D w czasie rzeczywistym i badać zachowanie różnych farb podczas dozowania.

Markstedt powiedział: "W badaniach eksperymentalnych często mamy tylko właściwości końcowa, drukowana struktura siatki do kontynuowania. Jest to czasochłonny sposób opracowywania nowych bioinków lub optymalizacji parametrów drukowania dla określonego atramentu. Jest to również drogie, ponieważ przygotowane komórki zawierające bioink są cenne. "

Ważne jest również przetestowanie biostruktury wkrótce po wydrukowaniu 3D, ponieważ komórki są w tym momencie nadal żywe; Ogranicza to czas trwania ewaluacji. CD3D .

"Często prowadzi to do drukowania wielu etykiet w parametrach drukowania, które nie zostały zoptymalizowane dla określonej kompozycji bioinksu. W rezultacie nie powstaje odpowiednia architektura, co może być katastrofalne, ponieważ drukowana tkanka nie działa prawidłowo "- powiedział Markstedt. "Na przykład drukowana linia może być zbyt cienka, co powoduje, że struktura pęka lub jest zbyt gruba, co zapobiega dostawaniu się składników odżywczych i tlenu do wszystkich komórek w bioink."

Naukowcy są dość pewni, że ich nowe narzędzie do symulacji będzie w staniezapewnić im znacznie więcej informacji zwrotnych podczas drukowania 3D, takich jak rozkład lepkosprężystych i naprężeń ścinających w tuszu, przy jednoczesnym pokonywaniu wszystkich tych problemów.

Markstedt powiedział: "Zapewnia to lepsze zrozumienie, dlaczego pewne ustawienia drukarki i wskaźniki działają lepiej niż inne. Na przykład pozwala nam to na wyodrębnienie poszczególnych parametrów, takich jak prędkość drukowania, wysokość dyszy drukarki, szybkość przepływu atramentu i ścieżka drukowania, aby zbadać, jak wpływają one na drukowanie. "

Zespół będzie teraz pracował nad modelowaniem przepływu bioink wstępnie zdefiniowane geometrie dysz wewnętrznych.

"Ten dodatek do modelu pozwoli nam zaobserwować, jaki wpływ na proces drukowania mają naprężenia ścinające z dyszy. Pomoże nam to określić, w jaki sposób różne ciśnienia druku i kształty dysz wpływają na biopolografię bioink "- wyjaśnia Göhl.