Influence des propriétés rhéologiques et des paramètres d’extrusion sur les structures créées par bio-impression 3D

Labonté-Dupuis, Thierry (2021). Influence des propriétés rhéologiques et des paramètres d’extrusion sur les structures créées par bio-impression 3D. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La bio-impression 3D par extrusion est un domaine en pleine expansion, pour lequel il faut optimiser les matériaux servant de « bioencre », qui sont généralement des hydrogels. L’objectif de cette maitrise est de proposer des méthodes rhéologiques permettant de comparer les hydrogels entre eux et de mieux prédire leur comportement lors de l’impression, Nous avons étudié 3 propriétés rhéologiques : la capacité de récupération (« recovery »), la contrainte d’écoulement et le caractère rhéofluidifiant. Ces propriétés ont été observées sur 3 formulations d’hydrogels à base de chitosane ainsi qu’une formulation à base d’alginate qui est déjà utilisée pour la bio-impression 3D et sert de contrôle positif.

Tout d’abord, l’effet des paramètres d’extrusion tels que le débit, la vitesse de déplacement de la buse, le diamètre d’extrusion et la hauteur d’extrusion sur la qualité des filaments extrudés ont été analysés sur une formulation. Tel qu’attendu, l’augmentation de la quantité de matière déposée par unité de distance (donc l’augmentation du débit ou la diminution de la vitesse de déplacement de la buse) augmente la largeur des filaments déposés. L’effet de la hauteur de déposition est moins évident, car ce paramètre doit être sélectionné en fonction des autres pour permettre l’extrusion de filaments minces, continus et uniformes.

Dans un deuxième temps, les données rhéologiques ont été mesurées et une étude de corrélation a été tentée avec les résultats d’impression, notamment la fidélité d’impression et la largeur des filaments. Contrairement à la littérature, le pourcentage de récupération n’est pas identifié comme étant un paramètre déterminant. Par contre, la viscosité pré-extrusion a une assez bonne corrélation inversement proportionnelle avec la largeur des filaments. L’hydrogel d’alginate-gélatine a donné les meilleurs résultats. Du côté des gels de chitosane, le manque de reproductibilité et la faible capacité à supporter plusieurs couches de gel pré-gélification affecte son potentiel.

Les résultats suggèrent que l’étude des propriétés rhéologiques peuvent aider à déterminer la capacité d’un gel à être utilisé pour la bio-impression par extrusion. Par contre, les tests doivent être modifiés pour permettre une meilleure analyse de gels thermosensibles tel que le chitosane et pour uniformiser les résultats.

Titre traduit

Impact of the rheological properties and the extrusion parameters on the printed structures

Résumé traduit

Extrusion 3D bioprinting is a rapidly expanding field, for which it is necessary to optimize the materials serving as bio-ink, which are generally hydrogels. The objective of this master's degree is to propose rheological methods making it possible to compare hydrogels with each other and to better predict their behavior during printing. We have studied 3 rheological properties: the capacity of recovery, the yield stress and shear thinning. These properties were observed on 3 hydrogel formulations based on chitosan as well as one formulation based on alginate which is already used for 3D bioprinting and serves as a positive control.

First, the effect of extrusion parameters such as flow rate, nozzle movement speed, extrusion diameter and extrusion height on the quality of extruded filaments were analyzed on a formulation. As expected, increasing the amount of material deposited per unit of distance (thus increasing the flow rate or decreasing the speed of movement of the nozzle) increases the width of the deposited filaments. The effect of the deposition height is less obvious, as this parameter must be selected in relation to the others to allow the extrusion of thin, continuous and uniform filaments.

Second, the rheological data was measured and a correlation study was attempted with the print results, including print fidelity and filament width. Contrary to the literature, the percentage of recovery is not identified as being a determining parameter. On the other hand, the preextrusion viscosity has a fairly good inversely proportional correlation with the width of the filaments. Alginate gelatin hydrogel has given the best results. On the side of chitosan gels, the lack of reproducibility and the low capacity to withstand several layers of pre-gelled gel affects its potential.

The results suggest that studying the rheological properties can help determine the ability of a gel to be used for extrusion bioprinting. Although, the tests must be modified to allow a better analysis of thermosensitive gels such as chitosan and to standardize the results.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie des technologies de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 145-149).
Mots-clés libres:	bio-impression 3D, extrusion, bioencre de chitosane, récupération, contrainte d’écoulement, fidélité d’impression
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lerouge, Sophie
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	05 avr. 2022 18:53
Dernière modification:	05 avr. 2022 18:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2951

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