Уникальный материал для 3D-печати на основе пыльцы

Исследователи из технологического университета Наньян (NTU) разработали чернила для 3D-биопечати с экстрактом подсолнечника, которые могут дать старт новому поколению биомедицинских устройств.

В отличие от обычных податливых био-чернил, био-чернила на основе пыльцы можно настроить так, чтобы придать им большую жесткость, таким образом, их можно печатать на 3D-принтере в структуры без потери целостности между слоями. Ученые, которые уже использовали свои чернила для создания каркасов тканевых регенеративных клеток, теперь считают, что у них есть значительный потенциал в области тканевой инженерии, тестирования токсичности и доставки лекарств.

«Биопечать может быть сложной задачей, потому что материал используемых чернил, как правило, слишком мягкий, а это означает, что структура предполагаемого продукта может разрушиться во время печати», - объяснил со-ведущий автор исследования Чо Нам-Джун. «За счет настройки механических свойств пыльцы подсолнечника мы разработали гибридные чернила на основе пыльцы, которые можно использовать для печати структур с хорошей структурной целостностью».

«Учитывая, что существует множество видов пыльцы, суспензии микрогелей пыльцы потенциально могут быть использованы для создания нового класса экологически чистых материалов для 3d-печати».

Усиленные гидрогели с биопечатью

Благодаря присущей ей способности включать живые клетки, 3D-печать Direct Ink Writing (DIW) становится все более популярным средством создания биомедицинских устройств, таких как тканевые каркасы. Точно так же гидрогели часто используются в DIW, потому что они настраиваются, они облегчают прикрепление клеток и способны точно имитировать биологические ткани.

Однако, по мнению исследователей NTU, гидрогели также характеризуются низкой механической стабильностью и биоинертностью, что требует создания «гибридных» чернил, которые «обеспечивают функции и свойства, недостижимые ни одним гидрогелем».

В прошлом некоторые ученые обнаружили, что интеграция нановолокон или нанопластинок в гидрогелевые биочернила укрепляет их и предотвращает засорение сопел принтера. Другие разработали поддерживающие матрицы, состоящие из гидрогелей, ячеек и каучука, которые помогают сохранить печатные структуры до того, как они полностью затвердеют, а также обеспечивают повышенную стабильность и устойчивость благодаря повторно используемым ингредиентам.

Вдохновляясь последним, команда NTU создала суспензию микрогелей из возобновляемых зерен пыльцы. Ученые утверждают, что, учитывая ее одинаковый размер, а также регулируемое и последовательное реологическое поведение, пыльца дает идеальные поддерживающие матрицы, а ее способность реагировать на раздражители может дать ей потенциальные возможности доставки лекарств.

Биомедицинские устройства на основе пыльцы

Чтобы создать свои новые биочернила, исследователи начали с использования метода, похожего на мыловарение, чтобы превратить пыльцу подсолнечника в суспензию микрогеля. Затем данная субстанция была смешана с альгинатом, каучуком и гиалуроновой кислотой, в результате чего получилась смесь, состоящая из зерен пыльцы с более мягким внешним слоем, чем обычно, что позволило их сжать в сопле принтера, без его заедания.

Фактически, во время ранних испытаний ученые обнаружили, что они могут выдавливать свои биочернила с любым заданным объемом содержания пыльцы, не забивая свой 3D-принтер. Продемонстрировав первоначальную жизнеспособность своего материала путем создания многослойных микроструктур, команда затем приступила к изготовлению нагруженных красителем каркасов, чтобы оценить его потенциал доставки лекарств.

Интересно, что количество красителя, выделяемого во время этих экспериментов, со временем менялось, таким образом, благодаря чувствительности к стимулам пыльцы, биочернила могут быть настроены на высвобождение лекарств в соответствии с дозировками для конкретного пациента. Учитывая, что пыльца также является биосовместимой, исследователи также смогли загрузить свои каркасы клетками, создав пятислойную структуру, которая продемонстрировала 94% жизнеспособности клеток.

Наконец, команда увеличила содержание каучука и альгината в своих чернилах, чтобы проверить их способность производить более традиционные биомедицинские устройства. На практике это означало создание устройства в виде купола из силиконовой резины, которое, по словам ученых, «продемонстрировало хорошую структурную точность» и «улучшенное разрешение печати» благодаря основе пыльцы.

Исследователи намерены дополнительно оптимизировать свою суспензию, улучшив ее способность к вторичной переработке после нескольких циклов нагрева, но они уже рассматривают ее как жизнеспособный способ избежать застреваний во время 3D-печати, и, учитывая ее поведение, реагирующее на раздражители, они говорят, что это может быть «обильный и доступный исходный материал» для будущих биомедицинских приложений.

«Наши открытия могут открыть новые возможности для создания гибких мембран, которые точно соответствуют контурам человеческой кожи, таких как повязки на раны или маски для лица», - заключил соавтор исследования Сун Джуха. «Используя наши биосовместимые, гибкие и недорогие чернила, мы можем изготавливать мембраны, адаптированные к контурам человеческой кожи и способные изгибаться, не ломаясь».

По мере того как индустрия 3D-печати продолжает поиск экологически чистых альтернатив полимерам на масляной основе, ученые все чаще обращаются к матери-природе за ответами. Например, исследователи из португальского университета Авейру и института материалов Авейру недавно разработали материал ABS на основе бамбука, который, по их словам, позволяет получать «детали повышенного качества».

В немецком федеральном институте исследования и испытаний материалов ученые обратились к насекомым, превратив отходы термитов в уникальный связующий материал для струйной печати. Хотя исходное сырье показало низкий уровень прочности, разработчики утверждают, что в будущем его можно будет использовать для создания высокоточных филигранных структур.

В других местах исследователи используют не сырье, а разработки матери-природы, команда из Кильского университета напечатала на 3D принтере "шипастые суставы", вдохновившись стрекозами. Как и устройства для биомедицинских тестов ученых NUT, напечатанные командой из Киля, являются сверхпрочными, но их конструкция также делает их достаточно гибкими и прочными, для конечного применения.

Выводы исследователей подробно изложены в статье "Инженерия натуральных пыльцевых зерен как многофункционального материала для 3D-печати". Соавторами исследования выступили Шенгян Чен, Цянь Ши, Тесик Джанг, Мохаммед Шахрудин Бин Ибрагим, Цзинью Денг, Гайя Ферраччи, Вен Си Тан, Нам-Джун Чо и Юха Сонг.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Полное руководство по 3D-печати [часть 1]»‎ и «‎Возможности 3D принтеров: 2-ух этажный дом, миллиметровая статуя Давида и веганский стейк‎»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!