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基于挤出型生物墨水打印性的评估方法

期刊综述    2021-09-18 15:28

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研究背景

➣当构建体进行生物打印时,需要特定的形状;但是,由于这些材料主要是水,因此在沉积时实现足够的形状保真度是一项挑战。

➣更加困难的是,不能使用粘度太高的生物墨水,因为挤出所需的压力会导致永久性的细胞损伤和死亡。因此,大多数生物墨水不能自支撑无需一些辅助干预。

➣虽然不同类型的交联和支撑元素提高了最终结构的形状保真度,但除了这些方法之外,还有改进的空间,最终,一种自支撑材料将是非常可取的。

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主要内容

  1. 本文介绍了用于评估基于挤压的生物墨水可打印性的措施,以期在生物墨水开发过程中协助研究人员。存在可打印性的许多不同方面,并且因此提出了许多不同的测量方法。

  2. 对于生物墨水的可挤出性,形状保真度和印刷精度,已经提出了几种定量措施。每种测试生物墨水的方式都略有不同。此外,还应考虑其他很少或没有可量化方法实例的相关措施。

  3. 展望未来,需要做进一步的工作来改进当前的评估方法,朝着更全面的可打印性观点发展,并使研究人员之间的这些可打印性测量标准化。更好的评估技术自然会导致对影响可印刷性的潜在机制有更好的了解,并更好地比较生物墨水之间的比较。

 

生物墨水评价和打印性

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图1.可打印性可以有许多不同的定义,取决于所使用的方式和材料。

➣在生物打印领域,对生物墨水的进一步开发有着巨大的需求,迫切需要改善生物墨水的可打印性。

➣生物墨水应进行剪切稀释,以便在挤出过程中易于流动。 最终形状的保真度也很重要,因为支架中的专利微通道通过促进氧气转移,营养物质的输送和代谢废物的清除在细胞存活和功能中起着至关重要的作用。

➣在挤压生物打印的情况下,打印条件包括进给率、压力、路径设计、喷嘴高度、温度和其他。

➣建立可打印性的定量定义和改进其结果测量将极大地帮助生物墨水的发展,这反过来将推动挤压生物打印更接近其长期应用和目标。

 

可挤压性

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图2. 可挤出性。(A)打印过程中的可挤出性是任何生物墨水的基本特征。 (B)Gao等人[53]中的可挤出性被测量为挤出每种构建体一定量的生物墨水所需的压力。

➣可打印性的基本要求是实现挤出的能力。使用给定的打印系统挤出给定的生物墨水所需的压力大小可以称为该系统的可挤出性(图2)。 

➣可挤出性主要影响电池的活力和总打印时间。挤出材料所需的压力越大,在挤出过程中,细胞将承受的剪切应力越大,对细胞的破坏也就越大。

➣在材料特性方面,粘度是生物墨水抵抗挤压力的主要指标。然而,大多数水凝胶的剪切变稀,这意味着它们的粘度会随着剪切应变的增加而降低。某些水凝胶还表现出触变性,这意味着在剪切作用下,它们的粘度也会随着时间而降低。

➣将理论剪切应力视为解释可挤出性的一种方式。 虽然没有直接计算剪切应力,但作者使用喷嘴直径与压力的比值作为理论剪切应力的代表。然后将该比率作为参数优化指数(POI)的一部分用于优化打印条件。

 

纤维的分类

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图3 (A)用于筛选生物墨水的长丝滴试验和(B)对不同类型长丝的定量评估。

➣作为预先筛选生物墨水用于生物打印的一种方法,一些研究人员已经确定了挤出的细丝的形状。测量挤出形状的不同方法包括在挤出后,沉积之前对细丝进行分类,在沉积时对细丝形状进行分类以及在沉积时对细丝形状进行定量。

➣细丝掉落测试涉及将细丝挤出到空气中而不是在基材上(图3A)。如果生物墨水太弱,则喷嘴尖端会形成液滴,而生物墨水不能打印3D结构。相反,生物墨水应形成光滑,均匀的细丝。

➣一些研究人员试图量化这些细丝不均匀的程度(图3B)。 测量通过完美直线的长度归一化的挤出线的周长,以量化给定长丝的均匀性。值1.0表示最大均匀度,值越高表示均匀度越低。

➣当这些不均匀的生物墨水用于支架制造时,挤出线可能会明显偏离预期的路径,甚至会卷曲并粘在分配喷嘴上。 然而,这种性质的生物墨水通常用于组织工程应用中。

 

形状保真度

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图4. 形状保真度已通过多种方法进行了测量,包括生物墨水具有以下能力:(A)跨越无支撑的缝隙以创建垂直孔;(B)通过堆叠多层保持高度;和

(C)避免细丝扩散以形成水平毛孔。

➣形状保真度是生物墨水在沉积时保持其形状的能力。形状保真度较差的生物墨水可能具有挤出线,这些挤出线散布得太宽,高度非常有限。

➣ 通过测量几种常见的打印特征,可以量化生物墨水的保真度。这些测量可以按它们要解决的现象进行归类,包括细丝铺展,高度保持和细丝塌陷。

➣这些研究的成功标准表明,更希望细丝宽度更小(因此散布更少)。因此,导致纤维最细的生物油墨被认为具有最佳的可打印性,一项研究甚至将线宽等同于“精度”。

➣生物墨水在多层沉积时保持其高度的能力也是其可打印性的关键因素。构造越大,形状保真度的这一方面就越关键。随着更多层被添加到单个结构中,较低层所经受的重量增加。

 

打印精度

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图5.印刷精度通常是指印刷结构与预期设计的相似程度。通过多种方式进行了测量,例如通过量化(A)各种特征尺寸57和(B)材料沉积。

➣ 试图捕获由于打印条件而导致打印失败的各种方式的结果测量值已被称为“通用”打印精度(图5)。可以将打印精度视为打印的长丝,特征和构造相对于所使用的打印参数与其预期的尺寸,形状和位置相匹配的程度。

➣其打印结构的均匀性和稳定性,使用了0-2的等级。打印出网格图案并将结果分类为过多的材料沉积(合并的细丝,闭合的孔),最佳的打印参数(理想的结果)或不完全的打印(不连续的细丝)。

➣挤出物的重量也可以用于量化沉积的生物墨水的总量。这是一种简单的测量方法,可以与其他条件和结果无关地隔离材料沉积。然而,测量挤出物的重量也忽略了沉积材料的位置,这是生物打印的重要方面。

➣这篇评论提出了关于可打印性的讨论,目的是减少术语使用中的歧义,确定需要进一步研究的关键领域,促进对生物墨水的定量可打印性评估,并在生物墨水开发过程中协助研究人员。