The ability to precisely control the properties of natural polymers and fabricate three-dimensional (3D) structures is critical for biomedical applications. In this work, we report the printing of complex 3D structures made of soft polysaccharide (chitosan) inks directly in air and at room temperature. We perform a comprehensive characterization of the 3D printing process by analyzing the effect of ink properties (i.e., rheological properties and solvent evaporation) and process-related printing parameters (i.e., nozzle diameter, robot velocity, and applied pressure). The effects of the neutralization step on the hydrogel formation and their mechanical properties are also investigated. Solvent evaporation tests show that the chitosan ink prepared using an acidic mixture contains residual acids after printing, helping reducing shrink-induced shape deformation. A processing map presents the appropriate ranges of process-related parameters for different structures including filaments, 30-layer scaffolds, starfish, leaf, and spider shapes, showing the versatility of the fabrication approaches. After neutralization, 3D scaffolds still maintain their shape while neutralized filaments show high tensile properties such as a maximum tensile strength of ∼97 MPa in the dry state and high strain at break ∼360% in the wet state. Our fabrication approach provides guidelines to optimize the design and fabrication of aqueous-based inks and opens a new door for fabricating complex structures from natural polymers and achieving tunable material properties for biomedical applications such as tissue engineering and drug delivery.

中文翻译：

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用于水凝胶微结构3D打印的壳聚糖油墨的加工和性能

精确控制天然聚合物的特性并制造三维（3D）结构的能力对于生物医学应用至关重要。在这项工作中，我们报告了直接在空气中和室温下打印由软多糖（壳聚糖）油墨制成的复杂3D结构的过程。我们通过分析墨水特性（即流变特性和溶剂蒸发）和与过程相关的打印参数（即喷嘴直径，机械手速度和施加压力）的影响，对3D打印过程进行全面的表征。还研究了中和步骤对水凝胶形成及其机械性能的影响。溶剂蒸发测试表明，使用酸性混合物制备的壳聚糖油墨在印刷后含有残留的酸，帮助减少收缩引起的形状变形。加工图显示了针对不同结构（包括细丝，30层支架，海星，叶片和蜘蛛形状）的与工艺相关的参数的适当范围，显示了制造方法的多功能性。中和后，3D支架仍保持其形状，而中和的长丝显示出高拉伸性能，例如在干燥状态下的最大拉伸强度约为97 MPa，在湿状态下的断裂伸长率约为360％。我们的制造方法为优化水性墨水的设计和制造提供了指导，并为用天然聚合物制造复杂结构并为生物医学应用（例如组织工程和药物输送）实现可调节的材料特性打开了新的大门。加工图显示了针对不同结构（包括细丝，30层支架，海星，叶片和蜘蛛形状）的与工艺相关的参数的适当范围，显示了制造方法的多功能性。中和后，3D支架仍保持其形状，而中和的长丝显示出高拉伸性能，例如在干燥状态下的最大拉伸强度约为97 MPa，在湿状态下的断裂伸长率约为360％。我们的制造方法为优化水性墨水的设计和制造提供了指导，并为用天然聚合物制造复杂结构并为生物医学应用（例如组织工程和药物输送）实现可调节的材料特性打开了新的大门。加工图显示了针对不同结构（包括细丝，30层支架，海星，叶片和蜘蛛形状）的与工艺相关的参数的适当范围，显示了制造方法的多功能性。中和后，3D支架仍保持其形状，而中和的长丝显示出高拉伸性能，例如在干燥状态下的最大拉伸强度约为97 MPa，在湿状态下的断裂伸长率约为360％。我们的制造方法为优化水性墨水的设计和制造提供了指导，并为用天然聚合物制造复杂结构并为生物医学应用（例如组织工程和药物输送）实现可调节的材料特性打开了新的大门。30层脚手架，海星，叶子和蜘蛛形状，显示了制造方法的多功能性。中和后，3D支架仍保持其形状，而中和的长丝显示出高拉伸性能，例如在干燥状态下的最大拉伸强度约为97 MPa，在湿状态下的断裂伸长率约为360％。我们的制造方法为优化水性墨水的设计和制造提供了指导，并为用天然聚合物制造复杂结构并为生物医学应用（例如组织工程和药物输送）实现可调节的材料特性打开了新的大门。30层脚手架，海星，叶子和蜘蛛形状，显示了制造方法的多功能性。中和后，3D支架仍保持其形状，而中和的长丝显示出高拉伸性能，例如在干燥状态下的最大拉伸强度约为97 MPa，在湿状态下的断裂伸长率约为360％。我们的制造方法为优化水性墨水的设计和制造提供了指导，并为用天然聚合物制造复杂结构并为生物医学应用（例如组织工程和药物输送）实现可调节的材料特性打开了新的大门。3D支架仍保持其形状，而中和的长丝表现出高拉伸性能，例如在干燥状态下的最大拉伸强度为〜97 MPa，在湿状态下的断裂伸长率为〜360％。我们的制造方法为优化水性墨水的设计和制造提供了指导，并为用天然聚合物制造复杂结构并为生物医学应用（例如组织工程和药物输送）实现可调节的材料特性打开了新的大门。3D支架仍保持其形状，而中和的长丝表现出高拉伸性能，例如在干燥状态下的最大拉伸强度为〜97 MPa，在湿状态下的断裂伸长率为〜360％。我们的制造方法为优化水性墨水的设计和制造提供了指导，并为用天然聚合物制造复杂结构并为生物医学应用（例如组织工程和药物输送）实现可调节的材料特性打开了新的大门。