CC BY
10
УДК 544.022.8220
Окишева М.К., Абрамов А.А., Цыганков П.Ю.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЬГИНАТА НАТРИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА 3Б-ПЕЧАТИ
Окишева Мария Константиновна - бакалавр 4-го курса кафедры кибернетики химико-технологических процессов; [email protected].
Абрамов Андрей Александрович - аспирант 1-го года обучения кафедры химического и фармацевтического инжиниринга;
Цыганков Павел Юрьевич - к.т.н., научный сотрудник кафедры химического и фармацевтического инжиниринга;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
С целью определения состава материалов на основе альгината натрия для реализации процесса 3Б-печати проведены комплексные реологические исследования, которые включающие определение значения динамической вязкости, типа течения и наличия тиксотропных свойств. Изучено влияние концентрации альгината натрия и сшивающего агента на реологические характеристики материалов. Определено, что для реализации процесса 3Б-печати наиболее подходящим является материал, содержащий 2 масс.% альгината натрия и 0,2 масс.% хлорида кальция и характеризующийся вязкостью 1032,4 Пас. Ключевые слова: 3Б-печать, альгинат натрия, сшивающий агент, реологические свойства.
DETERMINATION OF THE MATERIALS COMPOSITION BASED ON SODIUM ALGINATE FOR THE 3D PRINTING PROCESS
Okisheva M.K., Abramov A.A., Tsygankov P.Y.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In order to determine the materials composition based on sodium alginate for the 3D printing process, complex rheological studies of these materials were carried out. It included determining the value of dynamic viscosity, the flow type, and the presence of thixotropic properties. The influence of the sodium alginate and the crosslinking agent concentration on the materials rheological characteristics has been studied. It has been determined that the most suitable material for the 3D printing process is a material containing 2 wt.% sodium alginate and 0.2 wt.% calcium chloride and characterized by a viscosity of1032.4 Pa s.
Key words: 3D printing, sodium alginate, crosslinking agent, rheological properties.
Введение
Среди всех существующих технологий ЭБ-печати в настоящее время в медицине и фармацевтической промышленности наиболее широкое
распространение находит прямая гелевая печать или биопечать [1]. Данная технология предполагает экструзию вязких материалов на поверхность рабочей области ЭБ-принтера с последующим гелеобразованием материалов за счет различных механизмов. Прямая гелевая печать является экономически эффективным способом производства персонализированных изделий для медицины и фармацевтической промышленности, поскольку аддитивный подход позволяет изготавливать объекты по их ЭБ-модели без ограничений по геометрии. Однако технология прямой гелевой печати имеет ряд недостатков. Качество печати изделия зависит от множества факторов, наиболее существенными из которых являются реологические особенности материала, использующегося для реализации технологии. Материал должен быть достаточно вязким, чтобы сохранять трехмерную форму объекта в процессе послойного нанесения, но в то же время вязкость материала не должна препятствовать реализации процесса трехмерной печати [2]. Такими свойствами обладают материалы,
характеризующиеся псевдопластичным типом
течения и наличием тиксотропных свойств [Э]. Псевдопластичность обеспечивает снижение вязкости материала при воздействии сдвиговых напряжений, в то время как тиксотропные свойства обеспечивают восстановление вязкости после снятия сдвиговых напряжений.
Альгинат натрия является одним из востребованных материалов в области медицины и фармацевтической промышленности. Доступность, экологичность. хорошая биосовместимость, способность к биологическому разложению и отсутствие токсичности, способствуют широкому использованию альгината натрия в данных областях. В ряде исследований [4, 5] приводится обоснование использование данного материала для получения персонализированных имплантатов мягких тканей, а также скаффолдов для роста клеток. За счет своей способности к формированию гелей в физиологических жидкостях данный материал способствует активной пролиферативной активности клеток и васкуляризации тканей. Помимо этого, авторами работы [6] было показано, что растворы альгината натрия обладают псевдопластичностью и хорошими тиксотропными свойствами, что позволяет использовать материалы на основе данного полимера для реализации процесса трехмерной печати.
В данной работе представлены результаты
экспериментальных исследований, направленных на определение состава материалов на основе альгината натрия для реализации процесса прямой гелевой печати. Определение состава осуществлялось на основе комплексных реологических исследований материалов на основе альгината натрия, которые включали в себя определение динамической вязкости, типа течения материалов, а также выявление наличия тиксотропных свойств.
Экспериментальная часть
С целью исследования влияния концентрации альгината натрия (SigmaAldrich, CAS 9005-38-3) на реологические свойства растворов использовался диапазон от 2 до 9 масс.%. Растворы с концентрацией альгината натрия меньше 2 масс.% характеризуются низкими значениями вязкости (менее 0,8 Пас). Такие значения вязкости делают невозможным использование растворов с концентрацией полимера меньше 2 масс.% при реализации процесса прямой гелевой печати, поскольку происходит растекание материала при послойном формировании объекта. У растворов с содержанием альгината натрия выше 9 масс.% наблюдается явление «срыва течения». Данное явление проявляется резким уменьшением значения вязкости с увеличением скорости сдвига при постоянном значении напряжения сдвига. Это объясняется разрывом адгезионных и когезионный связей. Данное явление препятствует реологическим исследованиям материалов, а также использованию их при реализации трехмерной печати.
Процесс получения растворов альгината натрия заключался в растворении порошка альгината натрия в дистиллированной воде с использованием ротор-статорного гомогенизатора на скорости 9000 об/мин в течение 5 минут. После полного растворения альгината натрия и получения раствора заданной концентрации проводилось центрифугирование материала со скоростью 4200 об/мин в течение 2 мин для образования гомогенной системы.
Реологические свойства полученных материалов исследовались с использованием ротационного реометра AntonPaar MCR302 (Австрия). Измерения были выполнены с помощью измерительного узла плоскость-плоскость с диаметром 50 мм. Для всех материалов проводилось термостатирование измерительного узла до установления температуры 25С. Реологические исследования включали в себя определение динамической вязкости, типа течения материалов, а также выявление наличия тиксотропных свойств.
Определение значения динамической вязкости материалов проводилось при постоянной минимальной скорости сдвига, равной 0,01 с-1. По результатам исследования была выявлена зависимость динамической вязкости раствора от концентрации альгината натрия, представленная в таблице 1.
Таблица 1. Зависимость вязкости раствора от _концентрации альгината натрия
Концентрация
альгината натрия, 2 3 4 5 6 7 8 9
масс.%
Вязкость, Пас 0,8 1,8 5,7 8,1 24,6 44,8 67,1 118,6
Вязкость раствора альгината натрия определяется концентрацией полимера в растворе. Рост концентрации альгината натрия приводит к увеличению вязкости раствора, что обусловлено увеличением количества запутанных полимерных цепей.
Одним из факторов, определяющих возможность использования материала для изготовления изделий с помощью аддитивных технологий, является тип течения. Выделяют ньютоновский и неньютоновский типы течения жидкости. Ньютоновская жидкость характеризуется отсутствием зависимости вязкости от сдвиговых напряжений. Неньютоновские жидкости, в свою очередь, подразделяются на дилатантные, пластичные и псевдопластичные. Дилатантный тип течения характеризуется способностью материала увеличивать вязкость с увеличением сдвиговых напряжений, пластичный и псевдопластичный - уменьшать вязкость с увеличением сдвиговых напряжений. Для реализации процесса трехмерной печати исходный материал должен характеризоваться псевдопластичным типом течения, поскольку при экструзии вязкость материала должна уменьшаться для беспрепятственного продавливания «чернил».
С целью определения типа течения материала необходимо оценить влияние сдвиговых воздействий на реологические характеристики материала. Для этого проводилось испытание на реометре при постоянном увеличении скорости сдвига от 0,01 с-1 до 100 с-1. По результатам данного измерения были построены кривые течения и зависимости вязкости от скорости сдвига (рис. 1). Кривые течения отражают зависимость сдвиговых напряжений, возникающих в материале, от значения скорости сдвига, прикладываемой на образец в процессе испытания.
Все исследуемые растворы альгината натрия характеризуются нелинейным увеличением напряжения сдвига (рисунок 1(а)) и уменьшением значения вязкости (рисунок 1(Ь)) с ростом скорости сдвига, что характерно для жидкостей с псевдопластичным типом течения. Это свойство определяется наличием длинных полимерных цепей и жесткостью гидратированных молекул. При низких скоростях сдвига молекулы случайно ориентированы в объеме раствора, но при ее увеличении молекулы начинают ориентироваться параллельно
относительно друг друга. Таким образом, при увеличении скорости сдвига вязкость будет уменьшаться.
(а)
(Ь)
---8 масс.%
0,1
40 60
Скорость сдвига, с-1
40 50 60 Скорость сдвига, с*1
Рис 1. (a) Кривые течения исследуемых растворов альгината натрия; (b) Зависимость вязкости от скорости
сдвига для исследуемых растворов альгината натрия
Одним из наиболее важных свойств материала, использующегося для получения изделий с помощью аддитивных технологий, является наличие тиксотропных свойств. У материала, обладающего тиксотропными свойствами, при воздействии внешней нагрузки наблюдается уменьшение вязкости материала за счет разрушения его структуры, а после снятия нагрузки следует этап восстановления, в ходе которого происходит увеличение вязкости за счет частичного или полного восстановления структуры. При реализации процесса трехмерной печати материалы, подвержены сдвиговым напряжениям во время экструзии на рабочую область ЭБ-принтера. Поэтому тиксотропные свойства материалов являются определяющим фактором при выявлении возможности их использования для реализации процесса 3D-печати, так как после проведения процесса печати необходимо сохранение формы и
отсутствие растекания по поверхности рабочей области.
Для количественной оценки тиксотропных свойств материалов на основе альгината натрия было проведено исследование, которое включало в себя постепенное увеличение скорости сдвига от 0,01 с-1 до 100 с-1 с последующим уменьшением от 100 с-1 до 0,01 с-1. Результатом исследования являются кривые тиксотропии, которые строятся в координатах напряжение сдвига-скорость сдвига. Данные кривые формируют петлю гистерезиса, по величине площади которой проводилась количественная оценка тиксотропных свойств. Чем меньше площадь петли гистерезиса, тем лучше происходит восстановление структуры материала после снятия сдвиговых напряжений, и, следовательно, лучше выражены тиксотропные свойства. В таблице 2 приведены результаты расчета площади гистерезиса для каждого
исследуемого раствора.
Таблица 2. Зависимость площади петли гистерезиса тиксотропии от концентрации альгината натрия
Концентрация альгината натрия, масс.% 2 3 4 5 6 7 8 9
Площадь петли гистерезиса 9,5 133,7 176,5 487,3 2631,9 14868,1 20154,9 38606,3
Из полученных данных можно сделать вывод, что тиксотропные свойства лучше выражены у раствора с концентрацией 2 масс.%. Однако вязкость данного раствора является недостаточной для обеспечения послойного формирования трехмерного объекта в процессе печати. Использование для реализации трехмерной печати раствора с концентрацией 9 масс.% как более вязкого раствора невозможно, поскольку тиксотропные свойства данного материала выражены слабо, что также приведет к растеканию материала в процессе послойного формирования, поскольку вязкость материала после экструзии не восстановится до исходного значения. Таким образом, необходимо модифицировать раствор с концентрацией альгината натрия 2 масс.%, с целью увеличения его вязкости. Для этого была рассмотрена
модификация раствора путем частичной сшивки альгината натрия за счет использования низких концентраций сшивающего агента.
В качестве сшивающего агента был выбран хлорид кальция. С целью определения концентрации сшивающего агента, необходимой для достижения наиболее подходящих реологических свойств для реализации прямой гелевой печати, исследовался следующий диапазон концентраций сшивающего агента (CaCh): 0 масс.%; 0,05 масс.%; 0,10 масс.%; 0,15 масс.%; 0,20 масс.%; 0,25 масс.%; 0,30 масс.%.
Процесс получения гелевых материалов на основе частично сшитого раствора альгината натрия включает в себя три стадии. В дистиллированной воде растворялось заданное количество хлорида кальция при перемешивании на ротор-статорном
гомогенизаторе на скорости 6500 об/мин в течение 2 мин. После этого в полученный раствор с использованием ротор-статорного гомогенизатора диспергировался альгинат натрия для получения 2 масс.% раствора в течение 5 мин со скоростью 13000 об/мин. Данный этап необходим для обеспечения равномерной частичной сшивки полимера по всему объему материала. Последним этапом получения раствора частично сшитого альгината натрия является центрифугирование со скоростью 4200 об/мин в течение 2 мин с целью получения гомогенной системы.
Реологические исследования материалов на основе частично сшитого альгината натрия включали в себя определение динамической вязкости, типа течения материалов, а также выявление наличия тиксотропных свойств. Исследования проводились при тех же условиях, что и для растворов чистого альгината натрия.
По результатам исследования была определена динамическая вязкость исследуемых растворов частично сшитого альгината натрия (таблица 3).
Таблица 3. Зависимость вязкости раствора частично сшитого альгината натрия от _концентрации сшивающего агента
Концентрация
хлорида 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
кальция,
масс.%
Вязкость, Пас 0,8 0,8 69,6 850,4 1032,4 825,9 386,9
Повышение концентрации сшивающего агента приводит к формированию более вязкой системы. Раствор с концентрацией хлорида кальция 0,2 масс.% характеризуется наибольшей вязкостью, которая при дальнейшем увеличении содержания хлорида кальция снижается. Такое снижение вязкости обуславливается разделением фаз и образованием микрочастиц геля.
Реологические исследования растворов частично сшитого альгината натрия показали, что добавление сшивающего агента и образование частичной сшивки не влияет на характер течения материалов - все исследуемые растворы характеризуются
псевдопластичным типом течения.
Для количественной оценки тиксотропных свойств были получены кривые тиксотропии для каждого исследуемого раствора, частично сшитого альгината натрия. Зависимость площади петли гистерезиса тиксотропии от концентрации сшивающего агента в растворе представлена в таблице 4.
Таблица 4. Зависимость площади петли гистерезиса тиксотропии от концентрации сшивающего агента
Концентрация хлорида кальция, масс.% 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
Площадь петли гистерезиса 9,4 89,9 410,3 4167,6 2374,2 610,4 325,1
Наилучшие тиксотропные свойства
демонстрируют растворы с концентрациями сшивающего агента, равными 0 масс.% и 0,05 масс.%. Однако вязкость данных материалов не позволяет производить послойное формирование трехмерного объекта в процессе 3D-печати, что препятствует использованию их при реализации технологии прямой гелевой печати. Растворы с содержанием сшивающего агента 0,25 масс.% и 0,30 масс.% также имеют хорошую способность к восстановлению, однако в данных материалах происходит образование микрочастиц геля. Раствор с концентрацией хлорида кальция 0,15 масс.% характеризуется худшими тиксотропными свойствами среди исследуемых материалов, что также исключает возможность использования данного материала для осуществления процесса прямой гелевой печати. Материал на основе частично сшитого альгината натрия с содержанием 0,20 масс.% сшивающего агента характеризуется средней способностью к восстановлению, но в то же время при реализации технологии прямой гелевой печати данный материал будет обеспечивать как беспрепятственный процесс экструзии раствора на рабочую область 3D-принтера, так и формирование трехмерного объекта без растекания материала. Это достигается за счёт увеличения вязкости раствора с помощью частичной сшивки почти в 1300 раз по сравнению с чистым альгинатом натрия концентрацией 2 масс.%. При этом частичная сшивка альгината натрия и увеличение вязкости не повлияли критически на тиксотропные свойства материла. Тиксотропные свойства сохранились на достаточно высоком уровне по сравнению с тиксотропными свойствами самого высоковязкого раствора чистого альгината натрия (9 масс.%).
С использованием материала с концентрацией альгината натрия 2 масс.% и хлорида кальция 0,20 масс.% реализован процесс прямой гелевой печати. Трёхмерная печать проводилась с использованием 3Б-принтера Р1ут§Веаг Р905. Полученное изделие представлено на рисунке 2._ _
□Ж
Рис. 2. Результат реализации процесса прямой гелевой печати с использованием раствора частично
сшитого альгината натрия с концентрацией сшивающего агента 0,20масс.%.
По результатам реализации процесса прямой гелевой печати можно сделать вывод, что выбранный материал имеет необходимые реологические характеристики, поскольку позволяет производить беспрепятственную экструзию на рабочую область
ЗБ-принтера и осуществлять послойное формирование изделия без растекания и обрушения.
Заключение
В ходе работы проведены комплексные реологические исследования растворов альгината натрия различной концентрации, которые включали в себя определение значения динамической вязкости, типа течения материалов и количественная оценка их тиксотропных свойств. По результатам исследования определено, что растворы альгината натрия не зависимо от концентрации обладают псевдопластичным поведением, что не исключает возможность использования данных материалов для реализации процесса прямой гелевой печати. На основании результатов количественной оценки тиксотропных свойств установлено, что наилучшими тиксотропными свойствами обладает раствор с концентрацией 2 масс.%. Однако данный раствор характеризуется вязкостью 0,8 Пас, что не позволяет использовать его для реализации процесса трёхмерной печати, поскольку низкое значение вязкости приведёт к растеканию материала в процессе формирования изделия. Использование более концентрированных растворов альгината натрия, обладающих большей вязкостью, также невозможно, поскольку тиксотропные свойства материалов ухудшаются с ростом концентрации полимера, поэтому такие растворы обладают низкой способностью к восстановлению вязкости после экструзии.
С целью достижения необходимых реологических характеристик раствора с концентрацией альгината натрия 2 масс.% была проведена частичная сшивка данного раствора низкими концентрациями сшивающего агента. Реологические исследования частично сшитых растворов альгината натрия показали, что все исследуемые растворы характеризуются псевдопластичностью. Для реализации трехмерной печати наиболее подходящим является раствор с концентрацией сшивающего агента 0,20 масс.%. Концентрации хлорида кальция 00,10 масс.% не обеспечивают значения вязкости раствора, необходимого для послойного формирования изделия. Раствор с концентрацией сшивающего агента 0,15 масс.% характеризуется худшими тиксотропными свойствами из рассматриваемого диапазона концентраций, а растворы с концентрацией 0,25 и 0,Э0 масс.% характеризуются наличием микрочастиц геля, поэтому данные материалы не могут быть использованы для реализации прямой гелевой печати. Добавление 0,20 масс.% хлорида кальция к 2 масс.% раствору альгината натрия увеличивает вязкость материала практически в 1Э00 раз (10Э2,4 Пас), что
обеспечивает возможность послойного
формирования трехмерного изделия в процессе прямой гелевой печати. При этом такое увеличение вязкости приводит к небольшому снижению способности материала к восстановлению вязкости после приложения сдвиговых напряжений. Однако ухудшение тиксотропных свойств при добавлении сшивающего агента намного меньше, чем при увеличении концентрации альгината натрия, и не является критичным для реализации процесса трехмерной печати.
Реализован процесс прямой гелевой печати с использованием частично сшитого раствора альгината натрия с концентрацией полимера 2 масс.% и сшивающего агента 0,20 масс.%. Продемонстрировано, что использование выбранного материала позволяет реализовывать процесс послойного формирования трёхмерного изделия без растекания и разрушения объекта.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» № ВИГ 2022 006.
Список литературы
1. Jeon H., Kang K., Park S. A., Kim W. D., Paik S. S., Lee S.-H., Jeong J., Choi D. J. Generation of multilayered 3D structures of HepG2 cells using a bio-printing technique // Gut liver. - 2017. - vol. 11, no. 1. -pp. 1-21.
2. Ebers L.-S., Laborie M.-P. Direct ink writing of fully bio-based liquid crystalline lignin/hydroxypropyl cellulose aqueous inks: optimization of formulations and printing parameters // ACS Applied Bio Materials. -2020. - vol. 3, no. 10. - pp. 6897-6907.
3. Bom S., Ribeiro R., Ribeiro H. M., Santos C., Marto J. On the progress of hydrogel-based 3D printing: correlating rheological properties with printing behaviour // International Journal of Pharmaceutics. - 2022. - pp. 12-27.
4. Liu M., Zeng X., Ma C., Yi H., Ali Z., Mou X., Li S., Deng Y., He N. Injectable hydrogels for cartilage and bone tissue engineering // Bone research. - 2017. - vol. 5, no. 1. - pp. 1-20.
5. Kim Y., Kang K., Yoon S., Kim J. S., Park S. A., Kim W. D., Lee S. B., Ryu K.-Y., Jeong J., Choi D. Prolongation of liver-specific function for primary hepatocytes maintenance in 3D printed architectures // Organogenesis. - 2018. - vol. 14, no. 1. - pp. 1-12.
6. Menshutina N., Abramov A., Tsygankov P., Lovskaya D. Extrusion-Based 3D Printing for Highly Porous Alginate Materials Production // Gels. - 2021. -vol. 7, no. 3. - pp. 92.
