امكان سنجي پرينت هيدروژل‌هاي بدون سلول بر پايه آلژينات-ژلاتين متاكريلات براي استفاده در چاپ زيستي مبتني بر اكستروژن

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

زمينه چاپ زيستي توانمندي بسيار زيادي را در مهندسي بافت و پزشكي بازساختي نشان داده است. با اين حال، يكي از چالش‌هاي مهمي كه محققان با آن مواجه هستند، كمبود هيدروژل‌هايي است كه داراي تركيبي اساسي از استحكام مكانيكي، قابليت چاپ و زيست سازگاري هستند. هيدروژل‌هاي معمولي اغلب فاقد يكپارچگي ساختاري لازم براي تقليد از پيچيدگي‌هاي بيومكانيكي بافت‌هاي طبيعي هستند كه كاربرد آن‌ها را در فرآيندهاي چاپ زيستي محدود مي‌كند. در زمينه چاپ زيستي، يك هيدروژل زماني قابل چاپ است كه تركيبي از ويژگي‌ها را نشان مي‌دهد، كه اين شامل ويسكوزيته كم جهت تسهيل اكستروژن روان از طريق نازل چاپگر، اتصال عرضي سريع براي ثبات ساختاري و سازگاري زيستي بالا براي استفاده بالقوه در مهندسي بافت است. در اين پژوهش ابتدا به امكان سنجي چاپ هيدروژل آلژينات به منظور راه‌اندازي دستگاه چاپگر زيستي و درك پارامترهاي ساخت پرداخته شد. با توجه به قابليت چاپ پايين هيدروژل آلژينات، ژلاتين و ژلاتين متاكريلات با هدف بهبود خواص هيدروژل از جمله افزايش ويسكوزيته و استحكام مكانيكي به هيدروژل اضافه شدند. نتايج نشان داد هيدروژل 5% آلژينات-4% ژلاتين-3% ژلما با نازل G27 قابليت چاپ خوبي دارد كه پارامترهاي ساخت بهينه آن نظير سرعت حركت نازل mm/s 2، ضخامت هر لايه mm 1/0 و ضريب اكستروژن 9 با آزمايش‌هاي متعدد تعيين شدند ولي همچنان دقت چاپ نسبتا پايين بود. براي غلبه بر اين محدوديت، تحقيق حاضر بر توسعه يك تركيب هيدروژل نانو كامپوزيت متمركز شد كه به محدوديت‌هاي هيدروژل‌هاي موجود مي‌پردازد. فرمول هيدروژل شامل 5% آلژينات، 4% ژلاتين، 3% ژلاتين متاكريلات و اضافه كردن 1/0 % نانوذرات مغناظيسي اكسيد آهن با پوشش آلژينات است كه تركيب شده‌اند. اين تركيب هم افزايي عملكرد و تطبيق پذيري سازه‌هاي چاپ زيستي شده را افزايش مي‌دهد و با تغيير ضريب اكستروژن به 8 و ثابت نگه داشتن ديگر پارامترها، دقت چاپ در هيدروژل نانو كامپوزيت بهبود پيدا كرد. ساخت دقيق، بهينه‌سازي و خصوصيات اين تركيب هيدروژل با هدف دستيابي به استحكام مكانيكي بالاتر و در عين حال حفظ قابليت چاپ و زيست سازگاري است. با تركيب نانوذرات اكسيد آهن، هيدروژل خواص مكانيكي بهبود يافته‌اي به دست مي‌آورد. استحكام فشاري هيدروژل نانو كامپوزيت kPa 196 است كه نسبت به هيدروژل بدون نانوذرات 77% افزايش پيدا كرده است و به پايداري آن كمك مي‌كند. همچنين نتايج نشان داد كرنش نهايي قابل تحمل هيدروژل نانو كامپوزيت %18 افزايش يافته كه در نتيجه اين نانوذرات به‌عنوان عوامل تقويت‌كننده در ماتريس هيدروژل عمل مي‌كنند و تعادلي بين قابليت چاپ و استحكام مكانيكي فراهم مي‌كنند. تركيب نانوذرات اكسيد آهن، هيدروژل نانو كامپوزيت را به عنوان يك نامزد اميدواركننده براي استفاده به عنوان ماده زيستي قرار مي‌دهد كه قادر است پيچيدگي‌هاي بيومكانيكي بافت‌هاي طبيعي را تقليد كند. همچنين با توجه به خواص مغناطيسي و آنتي باكتريال نانوذرات اكسيد آهن، هيدروژل نانو كامپوزيت حاصل پتانسيل استفاده در انواع كاربردهاي زيست پزشكي در چاپ زيستي و مهندسي بافت را دارد. مطالعات رئولوژيكي نشان داد هيدروژل‌هاي مورد استفاده داراي خاصيت رقيق شدگي برشي هستند كه در چاپ زيستي مبتني بر اكستروژن مطلوب است، علاوه بر اين در آزمايش جاروب دما مشخص شد چاپ هيدروژل‌ها در دماي 25℃ بهينه است. افزودن نانوذرات به تركيب هيدروژل منجر به افزايش 25% در نسبت تورم شد. افزايش قابليت جذب آب در هيدروژل نانو كامپوزيت، به طور بالقوه محيط مطلوب‌تري را براي فرآيندهاي سلولي ارائه مي‌دهد. در آزمون نرخ تخريب، بين دو فرمول هيدروژل ساده و نانو كامپوزيت، تفاوت معني‌داري در دوره‌هاي زماني ارزيابي‌شده مشاهده نشد. همانطور كه حوزه چاپ زيستي به تكامل خود ادامه مي‌دهد، اين هيدروژل نانو كامپوزيت توانمندي زيادي در پيشبرد پزشكي بازساختي دارد. خواص مكانيكي استثنايي به همراه قابليت چاپ، آن را به يك نامزد اميدواركننده براي طيف گسترده‌اي از كاربردها، از جمله ساخت ساختارهاي بافت پيچيده و داربست براي بازسازي بافت و دارورساني هدفمند تبديل مي‌كند.

226400

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان