Ortogonal programmering av matrisstyvhet och geometri via syreinhiberingsassisterad stereolitografi. en Schematisk uppsättning av stereolitografiskt 3D-utskriftssystem för digital projektion där hydrogelprekursorlösning härdas lager för lager genom UV-exponering. Infällt är en SEM-bild av ett 3D-utskrivet komplext objekt. Skalstången är 500 μm. b Schematisk beskrivning av syrgashämningsassisterad utskrift, i vilken härdningszonen är fysiskt begränsad mellan det härdade området och det syreinhiberande skiktet. c Djupprofil för dubbelbindningskonverteringshastighet under olika UV-exponeringsdoser. Tjockleken på syreinhiberingsskiktet är svagt beroende av exponeringsdoserna, och det gör härdningstjockleken också. Dubbelbindningskonverteringshastigheten ökar snabbt med dosen när dosen är över tröskeln. d Optisk bild i ljusfält av en tryckt buffellogotyp med oberoende mönstrad styvhet och geometri (binär styvhet men plan yta). Hög optisk kontrast indikerar de starka skillnaderna i tvärbindningsdensitet och, därför, stelheten. Skalstången är 200 μm. e Kvantifiering av variationer i optisk kontrast (svart linje) och geometri (blå linje) längs den streckade linjen i b avslöjar skarpa skillnader i kontrast (styvhet) men liten variation i funktionshöjd ( < 1 %). Kreditera: Naturkommunikation (2018). DOI:10.1038/s41467-018-06685-1
University of Colorado Boulders ingenjörer har utvecklat en 3D-utskriftsteknik som möjliggör lokal kontroll av ett objekts fasthet, att öppna upp nya biomedicinska vägar som en dag kan omfatta konstgjorda artärer och organvävnad.
Studien, som nyligen publicerades i tidskriften Naturkommunikation , beskriver en lager-för-lager-utskriftsmetod som har finkornig, programmerbar kontroll över styvhet, tillåta forskare att efterlikna den komplexa geometrin hos blodkärl som är mycket strukturerade och ändå måste förbli böjliga.
Fynden kan en dag leda till bättre, mer personliga behandlingar för dem som lider av högt blodtryck och andra kärlsjukdomar.
"Tanken var att lägga till oberoende mekaniska egenskaper till 3D-strukturer som kan efterlikna kroppens naturliga vävnad, sa Xiaobo Yin, en docent vid CU Boulders avdelning för maskinteknik och den seniora författaren till studien. "Denna teknik tillåter oss att skapa mikrostrukturer som kan anpassas för sjukdomsmodeller."
Härdade blodkärl är förknippade med hjärt-kärlsjukdomar, men att konstruera en lösning för livskraftig artär- och vävnadsersättning har historiskt visat sig vara utmanande.
För att övervinna dessa hinder, forskarna hittade ett unikt sätt att dra fördel av syrets roll för att skapa den slutliga formen av en 3-D-tryckt struktur.
"Syre är vanligtvis en dålig sak eftersom det orsakar ofullständig härdning, " sa Yonghui Ding, en postdoktor i maskinteknik och huvudförfattare till studien. "Här, vi använder ett lager som tillåter en fast hastighet av syregenomträngning."
Genom att hålla noggrann kontroll över syremigrering och dess efterföljande ljusexponering, Ding sa, forskarna har friheten att kontrollera vilka områden av ett objekt som stelnas för att vara hårdare eller mjukare – allt samtidigt som den övergripande geometrin är densamma.
"Detta är en djupgående utveckling och ett uppmuntrande första steg mot vårt mål att skapa strukturer som fungerar som en frisk cell ska fungera, " sa Ding.
Som en demonstration, forskarna tryckte tre versioner av en enkel struktur:en toppbalk som stöds av två stavar. Strukturerna var identiska till formen, storlek och material, men hade tryckts med tre variationer i stångstyvhet:mjuk/mjuk, hård/mjuk och hård/hård. De hårdare stängerna stödde den övre balken medan de mjukare stängerna gjorde att den helt eller delvis kollapsade.
Forskarna upprepade bedriften med en liten kinesisk krigarfigur, skriva ut det så att de yttre lagren förblev hårda medan insidan förblev mjuk, lämnar krigaren med ett tufft yttre och ett ömt hjärta, så att säga.
Skrivaren i bordsstorlek kan för närvarande arbeta med biomaterial ner till en storlek på 10 mikron, eller ungefär en tiondel av ett människohårs bredd. Forskarna är optimistiska om att framtida studier kommer att bidra till att förbättra kapaciteten ytterligare.
"Utmaningen är att skapa en ännu finare skala för de kemiska reaktionerna, ", sa Yin. "Men vi ser enorma möjligheter framför oss för denna teknik och potentialen för tillverkning av konstgjord vävnad."
