多机构团队如何使用3D打印来帮助组织置换

AZoM采访了华盛顿州立大学的Arda Gozen, George and Joan Berry副教授。阿尔达是一个多机构团队的成员，该团队通过模仿人体组织的特性，致力于为工程组织创建一个支架。

你能给我们的读者简要介绍一下你最近的研究吗?

我是一个制造研究员，所以我对制造工艺和机械的工作。具体焦点，我们最近有，是3D印刷和添加剂制造具有多种从聚合物聚合物复合材料和生物材料不同的材料。亚博网站下载

我们正试图了解原料是进入3D打印过程及工艺参数，如何影响过程的结果，如成品零件的几何形状，但更重要的是，它们的功能特性。

我们想了解如何利用3D打印的独特功能，了解实现这种独特功能的基本机制。我们的研究还有一个应用方面，那就是可穿戴/植入式设备。

这一进展对组织置换领域意味着什么?

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打印是最近出现的常用工具，因为它可以产生模拟人体和组织的异质结构。

支持3D打印的组织工程的一般工作流程是，首先，制作组织支架，或者嵌入细胞，或者稍后将细胞引入支架。接下来，支架进行细胞培养，在此过程中，细胞根据其类型分化和增殖，形成活组织。在细胞培养过程中，尽可能准确地复制细胞的自然环境，从而形成最能模仿自然组织的组织，这一点至关重要。

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。

人们一直在使用3D打印目的的水凝胶，和他们是伟大的，因为他们可以携带细胞，它们可以携带的营养物质与细胞，可以三维打印它们，然后再通过细胞培养。但是，这些水凝胶通常是比较软，这是很难用这些标准的水凝胶和较硬的组织，如软骨或骨骼的模拟性能。甚至当你觉得皮肤，某些层是比常规使用的水凝胶可实现更难。

我们在这里做是我们结合这三种不同的水凝胶，然后我们调整了交联过程，并发生给我们一些能力控制在一定范围的机械性能。所以，如果你想使一个结构，它是异构的，而你不想让你不通过不同的兼容性问题，使用起来非常不同的材料，你可以用这一个单一的材料。亚博网站下载只要你仔细工程师的过程中，可以产生机械性能梯度，从而可以进一步的模拟天然组织的机会。这与一些功能相结合，3D打印的几何功能，你实际上可以产生完全不同的结构，使用相同的材​​料，这样就可以模仿组织的异质性。

3D打印的鼻子支架。图片来源:华盛顿州立大学

你能不能给我们的读者对已使用的球队支架材料的更多信息？

我们使用了三种常用的水凝胶，并将它们组合在这个新的配方中。水凝胶，一般来说，是一种聚合物，可以在大量的水中膨胀，并保持很长时间。

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。亚博网站下载这种新的水凝胶制剂的发明的信用应该去博士马哈茂德·阿姆鲁他是这篇论文的第一作者。他非常仔细地研究了文献，并进行了一系列的实验，得出了这个想法。

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。

最后一步是这一方法的新颖性。在这里，我们基本上浸没在3D中为至多24小时NHS-EDC的溶液印刷支架。在24小时内，你越是保持结构在那里，它得到更严厉由于增加交联密度。由于交联过程是缓慢的话，你可以在它给你的机会来调整机械性能的任何时间停止进程。

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。

如何通过你的团队，以模仿天然支架使用的方法从以前使用的研究其它方法有什么不同？

这是一个发展非常迅速的领域，每天都在开发新的材料。力学性能控制的传统智慧支架制造,当你使用更多的材料,结构变得更加严格,3 d印刷支架通常由在多孔配置中,所以这些链在某种程度上,然后另一个方向,所以毛孔。当你把它们变得更紧时，你的结构就会变得更坚固。把它们放得稀疏一点，它们就会变得更软。但通过这样做，你不仅仅控制了一件事。

如果这些材料装载了亚博网站下载单元格，例如，你在那里打印单元格，如果你想让它们更软，那就意味着你也在那里放了更少的单元格。有时这些水凝胶被用于脱细胞的方式，这就是我们在论文中所做的，只是提供结构支持。在这种情况下，如果你想让你的结构变得坚硬，例如，你想让这些气孔变得非常小，如果你想使用另一种含有细胞的材料，同样，在这种情况下，你的细胞快用完了。所以它与细胞密度有耦合效应。它不仅改变了机械性能，还损害了其他方面。

当你考虑到材料本身是可调的，这意味着你可以保持孔径恒定，调整材料使其更硬，所以你不需要改变细胞密度。所以它基本上给了你另一个自由度来控制机械性能和生成模拟人体组织的梯度。这才是最显著的优势。高分辨率3D打印的能力使我们的配方成为一种非常有利的材料。

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。亚博网站下载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。

什么是未来的研究团队？

我们是一个多机构的团队。这项具体的工作集中在华盛顿州立大学，这个团队由来自华盛顿州立大学的研究人员组成，由我和Bernard VanWie博士领导，来自Nehal Abu-Lail博士实验室，来自Morehouse学院，来自Juana Mendenhall博士的实验室。马哈茂德是主要作者，他来自Abu-Lail博士的小组，我是他的共同顾问。他刚毕业。我们团队的主要目标是能够制造出模仿天然组织的关节软骨。

具体到这项工作，我相信我们只是触及了可调性方面的皮毛。我们只看一篇文章，比如这篇文章，因为围绕这篇文章有很多需要研究的地方。我们尝试了一些其他的作品，它们都不成功，但我们仍然有很大的范围需要研究。希望这将给我们提供另一个可以转动的旋钮，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。

我们在论文中演示的这个应用本身是无细胞的，这意味着我们不会试图打印细胞，如果你需要为给定的应用打印细胞，显然这有点约束。例如，我们在50摄氏度下打印，所以我们需要降低到生理温度，我们已经证明这是可能的。

但也有其他事情在细胞活力和一切方面来看待。我们有这是摆在修订后的手稿表明，我们的材料是电池友好一些初步数据，但有工作要做，以与细胞的工作更多的工作，特别是如果你要打印的细胞。

最后，这项工作的起源，主要的动力是软骨。这项工作源于美国国家科学基金会的一项拨款，旨在研究如何制造解剖学上精确的膝关节软骨组织。我想说的是我们在这里展示的属性范围并没有关节软骨所需要的那么宽。当你想到软骨本身，它是迷人的。作为一名机械工程师，我完全没有意识到这些事实。关节软骨大约一毫米厚。在这薄薄的组织中，有三个非常不同的区域，特别是在机械性能方面。每个区域以不同的方式具有各向异性。这是一个疯狂的结构。所以无论我们做什么，基本上我们都需要更多的能力来为这个组织提供机械性能，这样我们就可以与软骨的各种性能相匹配。 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？

如果您的读者有任何问题，可以通过电子邮件联系我，(电子邮件保护)．此外，他们还可以访问杂志这里．

关于斯巴达Gozen

阿尔达是在机械与材料工程华盛顿州立大学学院的副教授。亚博网站下载阿尔达目前任命为乔治和琼贝瑞副教授。一个阿尔达最大的事业聚焦是NSF CAREER授予，授予在2018年，他的研究与3D聚合物纳米复合材料打印。

Arda在2019年获得了华盛顿州立大学沃兰工程学院青年教师研究奖。目前，阿尔达管理着一个实验室，里面有5名博士生和1名理科学生，其中大多数是女性。阿尔达,“我对此感到非常自豪，因为在机械工程领域，我们存在一个主要的多样性问题。”目前，有两种阿尔达的学生有NSF研究生研究奖学金，这是非常著名的。