3D Printing of Multifunctional Chitosan-Based Hydrogels and Nanocomposites

La capacité de produire des micro- ou nanostructures complexes dans des matériaux mous est importante pour diverses applications telles que l'ingénierie tissulaire, les capteurs, l'administration de médicaments et les dispositifs médicaux. Dans les tissus vivants, les micro-environnements peuvent affecter l'alignement et l'organisation des cellules, conduisant à la complexité structurelle et fonctionnelle des tissus natifs. Les hydrogels d'origine naturelle sont une classe de matières molles qui sont exceptionnellement attrayantes pour les applications biomédicales, car ils simulent l'environnement aqueux des matrices extracellulaires. Cependant, des structures d'hydrogel d'origine naturelle contrôlées avec précision sont difficiles à obtenir par la plupart des méthodes de fabrication classiques, et même avec la fabrication additive. Malgré les progrès récents dans le domaine de la fabrication additive, des défis importants persistent pour fabriquer des hydrogels avec des structures ordonnées et des propriétés mécaniques et biologiques adéquates pour imiter les tissus natifs. En outre, les déchets électroniques et la pollution environnementale constituent un problème sérieux en raison de la demande constante d'appareils électroniques plus récents et plus puissants. De nombreux polymères et composants toxiques non biodégradables sont présents dans l'électronique traditionnelle (tels que les condensateurs et les circuits intégrés), et des solvants toxiques (tels que l'isopropanol, l'acétone et le trichloréthylène) sont parfois utilisés dans leur fabrication. Avec l'importance croissante du développement durable, il est de la plus haute priorité pour les entreprises de l'industrie électronique de développer et de fabriquer une électronique respectueuse de l'environnement. Les nano-composites à base de polymères naturels sont d'excellents candidats pour développer la nouvelle génération d'électronique responsable grâce à leur légèreté, durabilité et leur bas coûts. Ainsi, dans ce travail, nous développons un procédé d'impression 3D pour fabriquer des microstructures complexes de polymère naturel, le chitosane, (CS) et de ses nanocomposites. Ce travail propose des encres à base de CS qui peuvent être fabriquées par impression 3D à température ambiante. La configuration de l'impression 3D est composée d'une étape de translation contrôlée par ordinateur et d'une plate-forme de positionnement à trois axes. L'encre est chargée dans une seringue, qui peut être extrudée à travers une microbuse. Les filaments d'encre sont déposés sur la plaque pour former une structure couche par couche, où elle subit la solidification du filament par évaporation du solvant aqueux. Nous démontrons une caractérisation complète des propriétés des encres CS pour l'impression 3D à température ambiante. Les propriétés rhéologiques des encres CS sont analysées par rhéométrie rotationnelle à taux de cisaillement faible et modéré et la viscosité apparente et le comportement en écoulement sont caractérisés par une analyse en rhéométrie capillaire, afin de concevoir une encre aux propriétés rhéofluidifiante pour une impression 3D réussie. Des tests d'évaporation de solvant de différentes compositions d'encre sont menés en observant la réduction de poids des filaments CS extrudés au cours du temps. Puisque différentes structures fabriquées par impression 3D nécessitent des paramètres de traitement particuliers, une cartographie de procédé est créée en prenant en compte des paramètres tels que le diamètre de la microbuse et la concentration d'encre, pour la fabrication réussie de structures CS unidimensionnelles (1D), bidimensionnelles (2D) et tridimensionnelles (3D). Les résultats de la diffraction aux rayons X (XRD) et des propriétés en traction des filaments CS sont également étudiés, montrant différentes propriétés du matériau obtenues après différentes étapes de traitement. Les échafaudages imprimés en 3D montrent des formes de pores contrôlables (tels que des pores en forme de gradient, carrés et en forme de losange) et une haute résolution de 30 µm. Des échafaudages d'hydrogel microstructurés à surface ridée sont obtenus par une étape de gélification par neutralisation dans l'hydroxyde de sodium. Les échafaudages imprimés et neutralisés montrent des comportements très flexibles et extensibles. La déformation à la rupture des filaments d'hydrogel CS atteint jusqu'à ~ 400% et la résistance maximale est de ~ 7.5 MPa. Les hydrogels microstructurés peuvent guider la croissance des cellules fibroblastiques et induire l'alignement des cellules. De plus, des nanocomposites constitués de CS en tant que matrice polymère, de nanotubes de carbone à parois multiples (CNT) en tant que nano-renfort et d'un mélange de solvants sont préparés en utilisant un procédé de mélange par broyeur à billes. Les encres nanocomposites CS/CNT sont développées pour présenter une auto-réparation à température ambiante. Les propriétés curatives peuvent être traitées par l'exposition à la vapeur d'eau et le nanocomposite peut restaurer la conductivité électrique et les propriétés mécaniques. L'auto-réparation est rapide, se produisant en quelques secondes après l'endommagement du nanocomposite. L'impression 3D nous permet de fabriquer des nanocomposites CS/CNT très conducteurs (~ 1450 S/m). L'impression 3D assistée par instabilité est aussi développée pour fabriquer des fibres CS/CNT microstructurées hautement acdaptables, en raison de l'instabilité de l'enroulement de la corde liquide. Des fibres CS/CNT microstructurées présentant des liaisons sacrificielles et une longueur cachée permettent aux nanocomposites d'être très extensibles (déformation à la rupture de ~ 180%). L'extensibilité et la conductivité électrique élevées des fibres CS/CNT permettent de concevoir des capteurs portables. Les capteurs de contrainte personnalisés sont fabriqués par impression 3D assistée par instabilité et ont démontré leur capacité à détecter les mouvements du coude humain. Le nanocomposite CS/CNT peut également être utilisé pour détecter l'humidité due au gonflement du polymère sous une humidité différente de l'environnement. La nouvelle méthode d'impression 3D d'hydrogels CS et de nanocomposites CS/CNT présentée ici ouvre de nouvelles portes pour concevoir et produire des structures tissulaires 3D à compatibilité topographique, biologique et mécanique ainsi que pour des applications de capteurs de déformations ou d'humidité.

Abstract

The ability to produce complex micro- or nano-structures in soft materials is significant for various applications such as tissue engineering, sensors, drug delivery and medical devices. In tissues or organs, surrounding micro-environments can affect cell alignment and organization that lead to the biological and functional complexity of native tissues. Naturally derived hydrogels are an important class of soft materials, which are exceptionally attractive for biomedical applications since they simulate the aqueous environment of extracellular matrices. However, precisely controlled architectures of naturally derived hydrogels are difficult to obtain through most conventional fabrication methods, and even with three-dimensional (3D) printing. Despite recent progress in the field of additive manufacturing, significant challenges persist to fabricate hydrogels with ordered structures and adequate mechanical and biological properties for mimicking native tissues. Besides, electronic waste and environmental pollution is a serious issue due to constant demand for newer and more powerful electronics. Many non-biodegradable polymers and toxic components are found in traditional electronics (such as capacitors and integrated circuits), and toxic solvents (such as isopropanol, acetone and trichloroethylene) are on occasion used in their fabrication. With the growing importance of sustainable development, it is of the upmost priority for companies in the electronic industry to develop and fabricate eco-friendly electronics. Natural polymer-based nanocomposites are excellent candidates for developing the next-generation of bio-sustainable electronics due to their lightweight, low-cost, and sustainable properties. Thus, in this work, we develop a 3D printing process to fabricate 3D microstructures of a natural polymer - namely chitosan (CS) - and its nanocomposites. This work proposes CS-based inks that can be fabricated by 3D printing at room temperature. The setup of 3D printing is composed of a computer-controlled translation stage and a three-axis positioning platform. The ink is loaded into a syringe, which can be extruded through a micronozzle. The ink filaments are deposited on the plate to form a structure in a layer-by-layer manner, where it undergoes filament solidification through solvent evaporation. We demonstrate a comprehensive characterization of the properties of CS inks for 3D printing at room temperature. The rheological properties of CS inks are analyzed by rotational rheometry at low to moderate shear rate and the process-related viscosity and flow behavior are characterized by capillary flow analysis, in order to formulate inks with shear thinning behavior for successful 3D printing. Solvent evaporation tests of different ink compositions are investigated by observing the weight reduction of extruded CS filaments with time. Since different structures fabricated by 3D printing require different processing parameters, a processing map is generated by considering parameters such as micronozzle diameter and ink concentration for the successful fabrication of one-dimensional (1D), two-dimensional (2D) and 3D CS structures. The results of X-ray diffraction (XRD) and tensile properties of CS filaments are also investigated, showing different material properties obtained after different processing steps. The 3D-printed scaffolds show controllable pore shapes (such as gradient, square- and diamond-shaped pores) and a high resolution of 30 µm. Microstructured hydrogel scaffolds with wrinkled surface are obtained through a gelation step of neutralization in sodium hydroxide. The as-printed and neutralized scaffolds show highly flexible and stretchable behaviors. The strain at break of CS hydrogel filaments reaches up to ~ 400% and maximum strength is ~ 7.5 MPa. The microstructured hydrogels can guide fibroblast cell growth and induce cell alignment. Further, CS-based nanocomposites made of CS as a polymer matrix, multi-walled carbon nanotube (CNT) as a nanofiller and a solvent mixture are prepared using a ball mill mixing method. The CS/CNT nanocomposite inks are developed to exhibit self-healing at room temperature. The healing properties can be processed via exposure to water vapor and the nanocomposite can restore electrical conductivity and mechanical properties. The self-healing is rapid, occurring within seconds after the damage of the nanocomposite. 3D printing enables us to fabricate highly conductive (~ 1450 S/m) CS/CNT nanocomposites. Instability-assisted 3D printing is developed to fabricate high tunable microstructured CS/CNT fibers, due to the liquid rope coiling instability. Microstructured CS/CNT fibers featuring sacrificial bonds and hidden length allow the nanocomposites with high stretchability (strain at break of ~ 180%). The high stretchability and conductivity of CS/CNT fibers enable the nanocomposite to be designed as wearable sensors. The customized strain sensors are fabricated by instability-assisted 3D printing and demonstrate their ability to detect human elbow motions. The CS/CNT nanocomposite can be also used to sense the humidity owing to polymer swelling under different environment humidity. The novel 3D printing method of tailoring CS hydrogels and CS/CNT nanocomposites demonstrated here opens new doors to design and produce 3D tissue constructs with topographical, biological, and mechanical compatibility as well as wearable sensor exhibiting strain and humidity sensing ability.