多机构团队如何使用3D打印来援助组织更换

Azom与华盛顿州立大学的Arda Gozen，乔治和琼·贝瑞副教授讲话。ARDA是通过模拟人体组织的性质来创建工程组织的脚手架的多机构团队的一部分。

您可以让读者概述您最近的研究吗？

我是一名制造业研究员，所以我的工作是制造工艺和机械。我们最近的重点是3D打印和增材制造，使用各种不同的材料，从聚合物到聚合物复合材料和生物材料。欧洲杯足球竞彩

我们试图了解3D打印过程中的原料和工艺参数是如何影响加工结果的，比如加工零件的几何形状，但更重要的是，它们的功能特性。

我们想要发现如何利用3D打印的独特功能，理解使这种独特功能成为可能的基本机制。我们的研究也有应用的一面，那就是可穿戴/可植入设备。

组织替代领域的这一发展是什么意思？

最近在组织工程中有很多研究，每个组织都不同，这意味着每个组织的工程成为单独的研究结构域。3D打印是一种常见的工具，最近出现的，因为它可以产生异质结构模仿人体和组织。

首先，使用3D打印组织工程中的一般工作流程，首先，使用嵌入细胞或将细胞引入脚手架的细胞下接下来，支架通过细胞培养物在其类型中进行细胞培养并促进形成活组织。在细胞培养期间，关键是细胞自然环境尽可能准确地复制，因为这将导致形成模拟自然组织的组织。

这个“环境”涉及许多因素。作为机械工程师，我最理想的是这种环境的机械方面，这就是我们的贡献所在的。简单地，我们这里的目标是制造脚手架，使得细胞“感觉”在细胞培养期间人体在人体中的实际组织或实际细胞经历。我们通过新的水凝胶制剂及其3D打印来完成这一点。

人们一直在用水凝胶进行3D打印，水凝胶非常棒，因为它们可以携带细胞，它们可以携带细胞中的营养物质，你可以3D打印它们，然后进行细胞培养。但这些水凝胶通常很软，很难用这些标准的水凝胶来模拟软骨或骨骼等硬组织的特性。甚至当你想到皮肤时，某些层也比那些常规使用的水凝胶更硬。

我们在这里所做的是我们将这三种不同的水凝胶组合在一起，然后我们调整了他们的交联过程，并发生了一些能力在给定范围内控制机械性能。所以如果你想制作一个异构的结构，你不想使用非常不同的材料，以便你不经过不同的兼容性问题，你可以使用这个单一的材料。欧洲杯足球竞彩只要您仔细创造工艺，您就可以生成机械属性梯度，这可以进一步旨在模仿本地组织的机会。这与一些功能相结合，3D打印的几何功能，您可以使用相同的材​​料实际地产生相当不同的结构，以便您可以模仿组织的异质性。

鼻子的3D印花脚压脚。图像信用：WSU

你能给我们的读者提供更多关于团队使用的脚手架材料的信息吗?

我们使用了三种常用的水凝胶，并将它们组合在这种新配方中。一般来说，水凝胶是可以容忍的聚合物，用大量的水膨胀，并长时间保持它。

我们使用的一种水凝胶是明胶，其在组织研究中大量使用。第二种材料是海藻酸钠，也许是最常用的氢生物印刷研究。然后第三个是阿拉伯语。它实际上是一种食物添加剂，使东西有点胶乳，因为这个名字意味着。有前面的工作，而不是组合三个，但是组合这些材料对，在那里您可以将它们交叉将它们交联以为不同的应用程序生成适当的属性。欧洲杯足球竞彩这种新的水凝胶制剂的发明的信用应该去博士马哈茂德·Amr，谁是本文的第一个作者。他非常彻底研究了文学，并跑了一堆实验来提出这个想法。

当我们组合这些水凝胶时，我们必须考虑这些水凝胶中的每一个都具有自己的交联机制。首先，我们冷却3D印刷构造，因为明胶在寒冷时物理交叉链接。接下来，您通过离子交联程序，交联藻酸钠和阿拉伯胶。最后一步是明胶的共价交联。

最后一步是这种方法新颖的核心。在这里，我们基本上将3D打印支架浸泡在NHS-EDC溶液中长达24小时。在这24小时内，由于交联密度的增加，结构越牢固。由于交联过程足够慢，你可以在任何时候停止这个过程，这给了你调整机械性能的机会。

除了这种能力之外，该材料还对3D打印非常有利。我们研究了材料的流变学，发现了三种水凝胶的性质协同实现高分辨率3D印刷。例如，明胶在低温下非常粘稠，因此您无法真正打印它。在高温下，它变得真的流淌，那么你不能真正建立材料层。海藻酸钠也具有类似的问题。您必须交叉链接它以保持其形状，否则它只是流动并展开。

当我们添加阿拉伯语时，我们仍然需要将材料加热到高温以获得合理的粘度，但即使在那些高温下，该结构也非常保持其形状。因此，它为我们提供了一个更广泛的窗口，用于高分辨率3D打印。当我说高分辨率时，我们能够用小于在这种研究中使用的常用喷嘴的喷嘴打印。这也使我们更精细的功能控制。所以这是一堆在这个复合材料中聚集在一起。

您的团队使用的模拟天然支架的方法与以前研究人员使用的其他方法有何不同?

这是一个如此快速移动的领域，每天开发新的材料创新。用于机械性能控制在脚手架制造中的传统智慧是，当您使用更多的材料时，您的结构变得更加刚性，3D印刷支架通常以多孔配置制成，因此您将这些股线以某种方式进行，然后另一种方式所以你之间有毛孔。当你让它们更紧凑时，你的结构变得更加僵硬。让他们有点稀疏，他们变得更柔软。但通过这样做，你的不是只控制一件事。

例如，如果这些材料欧洲杯足球竞彩是加载的，例如，如果您想让它们更柔软，则在那里打印单元，这意味着您也在少量的细胞中。有时这些水凝胶以缩小的方式使用，这是我们在纸上所做的，只是提供结构支持。在这种情况下，如果你想制作结构刚性，那么你想让那些毛孔真的很小，如果你想用另一个物体在它中使用另一个材料，在这种情况下，你就可以用完了细胞。因此它具有耦合效应细胞密度。这不仅改变了机械性能，而且你也伤害了其他一些方面。

当您考虑物质本身正在调谐时，这意味着您可以保持孔径常量，只是调整材料使其更加致命，因此您不必混淆您的细胞密度。因此，它基本上为您提供了一种控制机械性能和产生模拟人组织的梯度的另一个自由度。这将是最突出的优势。高分辨率3D打印的能力使我们的配方成为非常有利的材料。

使用三种不同的过程是否有任何好处创建脚手架？

本身，使用三个不同的过程没有任何特定的优势。我们需要使用这些多个步骤，因为我们拥有具有不同交联要求的复杂材料和不同的材料。欧洲杯足球竞彩这个优点并不躺在使用三个不同的过程中。必须使用三个过程有所支付的价格，因为它使过程更加繁琐。说过，我们相信益处超过了成本。它更像是一个流程要求，而不是我们做出优势。

研究小组的下一步计划是什么?

我们是一个多机构团队。这项特定的工作已在WSU居中，团队由来自WSU的研究人员组成，由自己领导，德克萨斯州德克萨斯大学博士博士·圣安东尼奥博士博尔纳德·莱勒实验室和更多议院学院博士。Juana Mendenhall’s lab. Mahmoud, who was the main author, was from Dr. Abu-Lail’s group with me co-advising him. He just recently graduated. Our team’s main objective is to be able to manufacture articular cartilage that mimics the native tissue.

具体到这项工作，我相信我们刚刚在可调性方面划伤了表面。我们只是在这篇文章中看一个组合物，因为有很多东西可以围绕该组成研究。我们尝试了一些其他组成，他们不成功，但仍然有一个巨大的范围，我们需要调查。希望，这将使我们另一个旋钮转动，以及我们可以实现的更广泛的机械性能。

还有其他基本的东西可以研究真正陷入我的兴趣。例如，过程参数如何影响机械性能。如果您打印更快或更慢或使用不同的温度，则聚合物的微结构可能在最终结构中变化的方式，所有这些因素可能会改变机械性能。因此，可以让我们另一个旋钮转向机械性能控制。

本申请本身我们在纸上证明是非，这意味着我们不是试图打印单元格，如果您需要打印给定应用程序的单元格，显然它有点限制。例如，我们在50摄氏度打印，所以我们需要缩至生理温度，我们已经表明了。

但是在细胞存活率和其他方面还有其他的事情需要考虑。我们在修改后的手稿中有一些初步的数据，表明我们的材料对细胞友好，但在细胞方面还有更多的工作要做，特别是如果你要打印细胞。

最后，这项工作的起源，主要刺激剂是软骨。这项工作源于NSF授权书，旨在制造解剖学准确的关节膝关节组织。我会说我们在这里展示的财产范围并不像关节软骨所需的那么宽。当你想到软骨本身时，它很迷人。作为一名机械工程师，我完全忘记了这些事实。关节软骨约毫米厚。在那种薄的组织中，有三种非常明显不同的区域，具体就是机械性能。每个区域以不同方式具有各向异性。这只是一个疯狂的结构。因此，我们需要从我们所做的任何东西提供更多能力，以便为该组织提供机械性能，使得我们可以将各种性质与软骨相匹配。 So more research towards that is needed, and that is what we're looking into.

我们的读者在哪里可以了解更多信息？

如果有任何疑问，您的读者可以通过电子邮件与我联系，[电子邮件受保护]．此外，他们可以访问日志在这里．

关于Arda Gozen.

阿尔达是华盛顿州立大学机械与材料工程学院的副教授。欧洲杯足球竞彩阿尔达目前被任命为乔治和琼贝瑞副教授。Arda最大的职业亮点之一是2018年美国国家科学基金会(NSF)的职业基金，以表彰他在聚合物纳米复合材料3D打印方面的研究。

Arda于2019年收到华盛顿州大学Voiland Builand Councerse Research奖。目前，Arda运行了五个博士学位的实验室。学生和1名学生，大多数是女性。阿尔达国家，“我为此感到骄傲，因为在机械工程中，我们有一个重大的多样性问题。”目前，Arda的两名学生获得了NSF研究生研究奖学金，这是非常有声望的。