ハイドロゲルの機械的特性と拡散挙動の数学的モデリングにより、生物学的3Dプリンティングの研究が促進される

ハイドロゲルの機械的特性と拡散挙動の数学的モデリングにより、生物学的3Dプリンティングの研究が促進される
寄稿者: 趙婷澤 連秦

ハイドロゲルは、生体適合性、機械的特性、輸送特性が優れているため、バイオメディカル、薬理学、栄養医学などの分野で広く使用されています。アプリケーションに適した性能を持つハイドロゲルを選択するには、ハイドロゲルの特性を深く理解し、形成後の性能を予測して、実験における継続的な試行と改善の時間とコストを節約する必要があります。この点に関して、サレルノ大学のディエゴ・カカボ氏らは、ハイドロゲルの性能に影響を与える主な特性パラメータと数学モデルを研究し、3つの特性時間パラメータに基づいて、さまざまな用途におけるハイドロゲルの材料、形状、サイズの選択基準を提案しました。この研究では、生物学的 3D プリンティングにおいて特定の機械的特性を持つハイドロゲルを合理的に選択または改善するための参照標準を提案し、より優れた性能を持つハイドロゲル 3D プリント製品の製造を促進します。

この研究の主な内容は次のとおりです。3 つの特性時間パラメータ (緩和時間、拡散時間、プロセス時間) を通じて、表 1 に示すように 11 の特定の状況でハイドロゲルの機械的特性が分析されました。このうち、ケース 1 ~ 4 ではハイドロゲルは弾性を示します。ケース 5 と 7 は多孔質弾性を示します (ハイドロゲル内の水分子が広範囲に移動し、ハイドロゲルが膨張したり収縮したりします)。ケース 6 と 8 は粘弾性を示します (ハイドロゲル内の水分子が狭い範囲に移動し、ハイドロゲルの形状は変化しますが、体積は変化しません)。ケース 9 ~ 11 は、プロセス時間が緩和時間や拡散時間よりもはるかに長い場合にハイドロゲルの性能が変化する動的プロセスです。これら 11 の状況を図 2 に示します。


特定のハイドロゲル材料を選択すると(緩和時間と水の拡散速度 D は材料自体によって決まります)、拡散特性長さ d を変更することで拡散時間を変更でき、それによってプロセス時間中のハイドロゲルの機械的挙動を調整できます。これを実証するために、研究チームは提案された数学モデルを使用してシミュレーションを実行し、その結果を図 3 に示します。


研究者らは、図 2 の 11 の条件をハイドロゲルの材料、形状、サイズを選択するための基準として使用できると提案しました。たとえば、システムでは、ハイドロゲルの機械的特性が多孔質弾性として動作する必要があるとします。この場合、処理時間は拡散時間と同じかそれ以上である必要があります。材料の拡散速度 D を調整できない場合は、適切な拡散特性長さを持つハイドロゲルを選択することで、処理時間を拡散時間に合わせることができます。

本研究は、特性パラメータによって確立された数学モデルと本論文で提案された選択基準を通じて、生物学的 3D プリンティングにおけるハイドロゲルの参照標準を提案し、ハイドロゲルの合理的な使用を促進するための新たなサポートを提供することを目的としています。

参考文献:
Caccavo D, Cascone S, Lamberti G, et al. ハイドロゲル:その機械的および拡散挙動の実験的特性評価と数学的モデリング.[J]. Chemical Society Reviews, 2018, 47(7).


寄稿者: 趙婷澤 連秦

生物学、医学、シミュレーション

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