骨組織工学のための熱可塑性3Dプリント足場の設計。足場の物理的特性における"隠れた"重要性を持つパラメータの影響

Design of Thermoplastic 3D-Printed Scaffolds for Bone Tissue Engineering: Influence of Parameters of "Hidden" Importance in the Physical Properties of Scaffolds.

• Nieves Cubo-Mateo
• Luis M Rodríguez-Lorenzo

抄録

添加物製造（AM）技術は、組織工学における足場の構築のために選択されるアプローチになりつつある。しかし、この分野での3Dプリントの開発は、実験の設計に考慮しなければならないユニークな課題をもたらします。一般的な印刷プロセスのパラメータは、最終的な3Dプリント製品の設計と品質の重要な要因として考慮されなければならない。本研究では、層の数や向きなどのPCL足場の設計と製作におけるいくつかのパラメータの影響だけでなく、印刷中の冷却速度や各層の開始点の位置などの"隠れた"重要性も研究しています。これらの要因は、足場の最終的な空隙率や機械的性能に重要な影響を与える可能性があります。純粋なポリカプロラクトンフィラメントを使用しました。足場の内部構造の設計のために、3つの異なる構成が選択されました。剛性の高いものと交互に層を重ねたもの(solid) (0°, 90°)、30%のインフィルと交互に層を重ねた多孔質のもの(ALT) (0°, 90°)である。)と、配向を変える前に３層のパイルド層を印刷することからなる非配向構成(n-ALT)(0°, 0°, 0°, 90°, 90°, 90°)を採用した。ノズル温度は印刷用に172℃、ビルドプレートは40℃に設定しました。室温クーリングダウンで361±26μm，強制クーリングダウンで290±30μmのストランド径が得られました．その結果、n-ALTでは2.12±0.31MPa、ALT足場では8.58±0.14MPaの圧縮弾性率が得られた。このことから、冷却速度は足場の最終的な特性を決定する重要なパラメータであることが明らかになった。

Additive manufacturing (AM) techniques are becoming the approaches of choice for the construction of scaffolds in tissue engineering. However, the development of 3D printing in this field brings unique challenges, which must be accounted for in the design of experiments. The common printing process parameters must be considered as important factors in the design and quality of final 3D-printed products. In this work, we study the influence of some parameters in the design and fabrication of PCL scaffolds, such as the number and orientation of layers, but also others of "hidden" importance, such as the cooling down rate while printing, or the position of the starting point in each layer. These factors can have an important impact oin the final porosity and mechanical performance of the scaffolds. A pure polycaprolactone filament was used. Three different configurations were selected for the design of the internal structure of the scaffolds: a solid one with alternate layers (solid) (0°, 90°), a porous one with 30% infill and alternate layers (ALT) (0°, 90°) and a non-alternated configuration consisting in printing three piled layers before changing the orientation (n-ALT) (0°, 0°, 0°, 90°, 90°, 90°). The nozzle temperature was set to 172 °C for printing and the build plate to 40 °C. Strand diameters of 361 ± 26 µm for room temperature cooling down and of 290 ± 30 µm for forced cooling down, were obtained. A compression elastic modulus of 2.12 ± 0.31 MPa for n-ALT and 8.58 ± 0.14 MPa for ALT scaffolds were obtained. The cooling down rate has been observed as an important parameter for the final characteristics of the scaffold.