Разработка «чернил» для реализации экструзионных методов  3D-печати вязкими материалами

А. А. Абрамов; П. Ю. Цыганков; М. К. Окишева; Н. В. Меньшутина

doi:10.6060/rcj.2023672.9

А. А. Абрамов Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
П. Ю. Цыганков РХТУ им. Д.И. Менделеева
М. К. Окишева Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Н. В. Меньшутина Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

DOI: https://doi.org/10.6060/rcj.2023672.9

Ключевые слова: 3D-печать, альгинат натрия, реологические свойства, прямая гелевая печать, гетерофазная система

Аннотация

3D-печать является универсальным подходом к получению изделий заданной геометрии. Особый интерес представляют экструзионные методы 3D-печать «чернилами» на основе вязких материалов. Использование таких «чернил» позволяет реализовать процесс печати при низких температурах, варьировать их состав и получать изделия с заданной высокопористой структурой. Напечатанные с использованием вязких материалов изделия перспективны для медицины, фармацевтики и химической промышленности. В данной работе представлены этапы получения «чернил» на основе биополимера альгината натрия, проведены их комплексные реологические исследования и реализованы два метода 3D-печати вязкими материалами: прямая гелевая печать и печать с использованием гетерофазной системы. Разработаны два состава «чернил»: на основе чистого альгината натрия и на основе частично сшитого. Вязкость «чернил» на основе альгината натрия лежит в диапазоне от 0,8 до 118,6 Па·с для концентраций полимера 2-9 масс.%. Наиболее выраженными тиксотропными свойствами обладают материалы с концентрацией альгината натрия 2 масс.%. Показано, что чернила на основе альгината натрия могут быть использованы для реализации 3D-печати с использованием гетерофазной системы. В данном случае система выступает в качестве поддерживающего объема, препятствующего растеканию напечатанного изделия и позволяющего формировать 3х мерную структуру. Вязкость «чернил» на основе частично сшитого альгината натрия (2 масс.%) при концентрация хлорида кальция от 0,05 до 0,3 масс.% лежит в диапазоне от 1,8 до 1032,4 Па·с. Добавление сшивающего агента позволяет увеличить вязкость «чернил» и реализовать прямую гелевую 3D-печать без использования гетерофазной системы. Все полученные «чернила» характеризуются псевдопластичным типом течения – уменьшением вязкости с увеличением скорости сдвига.

Литература

Abdulhameed O., Al-Ahmari A., Ameen W., Mian S.H. Adv. Mech. Eng. 2019. V. 11. N 2. DOI: 10.1177/16878140 18822880.

Kantaros A. Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. N 23. P. 14621. DOI: 10.3390/IJMS232314621.

Shahzad A., Lazoglu I. Compos. Part B Eng. 2021. V. 225.

P. 109-149. DOI: 10.1016/J.COMPOSITESB.2021.109249.

Kirchmajer D.M., Gorkin R., In Het Panhuis M. J. Mater. Chem. B. 2015. V. 3. N 20. P. 4105–4117. DOI: 10.1039/C5TB00393H.

Zulfikri Taning A., Lee S., Woo S., Somalu M.R., Muchtar A., Brandon N.P., Bapat S., Giehl C., Kohsakowski S., Paxton N., Smolan W., Böck T., Melchels F., Groll J., Jungst T. Biofabrication. 2017. V. 9. N 4. P. 44-78. DOI: 10.1088/1758-5090/AA8DD8.

Shiwarski D.J., Hudson A.R., Tashman J.W., Feinberg A.W. APL Bioeng. 2021. V. 5. N 1. P. 10904. DOI: 10.1063/5. 0032777.

Hinton T.J., Jallerat Q., Palchesko R.N., Park J.H., Grod-zicki M.S., Shue H.J., Ramadan M.H., Hudson A.R., Fein-berg A.W. Sci. Adv. 2015. V. 1. N 9. P. 75-94. DOI: 10.1126/SCIADV.1500758.

del-Mazo-Barbara L., Ginebra M.P. J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. N 16. P. 18–33. DOI: 10.1016/J.JEURCERAMSOC.2021.08.031.

Aronsson C., Jury M., Naeimipour S., Boroojeni F.R., Christoffersson J., Lifwergren P., Mandenius C.F., Selegård R., Aili D. Biofabrication. 2020. V. 12. N 3. P. 035031. DOI: 10.1088/1758-5090/AB9490.

Bordoni M., Karabulut E., Kuzmenko V., Fantini V., Pansarasa O., Cereda C., Gatenholm P. Cells. 2020. V. 9. N 3. P. 682. DOI: 10.3390/CELLS9030682.

Bessler N., Ogiermann D., Buchholz M.B., Santel A., Hei-denreich J., Ahmmed R., Zaehres H., Brand-Saberi B. HardwareX. 2019. V. 6. DOI: 10.1016/j.ohx.2019.e00069.

Ahmad Raus R., Wan Nawawi W.M.F., Nasaruddin R.R. Asian J. Pharm. Sci. 2021. V. 16. N 3. P. 280–306. DOI: 10.1016/J.AJPS.2020.10.001.

Gao T., Gillispie G.J., Copus J.S., Kumar A.P.R., Seol Y.J., Atala A., Yoo J.J., Lee S.J. Biofabrication. 2018. V. 10. N 3. P. 034106. DOI: 10.1088/1758-5090/AACDC7.

Jungst T., Smolan W., Schacht K., Scheibel T., Groll J. Chem. Rev. 2016. V. 116. N 3. P. 1496–1539. DOI: 10.1021/ACS.CHEMREV.5B00303.

Okisheva M.K., Abramov A.A., Tsygankov P.Y. Uspekhi v himii i himicheskoj tekhnologii. 2022. V. 36. N 2. P. 88–90 (in Russian).

Tsygankov P.Yu., Abramov A.A., Menshutina N.V. Himi-cheskaya promyshlennost' segodnya. 2020. N 6. P. 52–57 (in Russian).

Melhem M.R., Park J., Knapp L., Reinkensmeyer L., Cvetkovic C., Flewellyn J., Lee M.K., Jensen T.W., Bashir R., Kong H., Schook L.B. ACS Biomater. Sci. Eng. 2017. V. 3. N 9. P. 1980–1987. DOI: 10.1021/ACSBIOMATERIALS.6B00176.

Koh W.G., Revzin A., Pishko M. V. Langmuir. 2002. V. 18. N 7. P. 2459–2462. DOI: 10.1021/LA0115740.

Kim M.H., Lee Y.W., Jung W.K., Oh J., Nam S.Y. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2019. V. 98. P. 187–194. DOI: 10.1016/J.JMBBM.2019.06.014.

Lindsay C.D., Roth J.G., LeSavage B.L., Heilshorn S.C. Acta Biomater. 2019. V. 95. P. 225–235. DOI: 10.1016/J.ACTBIO. 2019.05.014.

Maloney E., Clark C., Sivakumar H., Yoo K., Aleman J., Rajan S.A.P., Forsythe S., Mazzocchi A., Laxton A.W., Tatter S.B., Strowd R.E., Votanopoulos K.I., Skardal A. Micromachines. 2020. V. 11. N 2. P. 208. DOI: 10.3390/MI11020208.

Menshutina N., Abramov A., Tsygankov P., Lovskaya D. Gels. 2021. V. 7. N 3. P. 92. DOI: 10.3390/GELS7030092.