Development of the analitical model in bioprinting of soft materials in ophtalmology

[S. L. Nježić]

147 listova

Predmet ove doktorske disertacije je razvoj analitičkog modela bioštampe nenjutnovskih mekih biomaterijala sa efektom stanjivanja usljed smicanja (shear thinning) za primenu u oftalmologiji. Razvijen je matematički model tangencijalnog napona za nenjutnovske gelove i fluide, primenom FENE modela, koji povezuje tangencijalni napon, pritisak, brzinu štampanja i brzinu smicanja, uzimajući u obzir viskoznost, trenje i adheziju, a parametri dobijeni eksperimentalno korišćeni su za analizu njihovih međusobnih odnosa u procesu 3D štampe. Eksperimentalni uzorci od elastičnog polimera sličnog PDMS silikonu i termoplastičnog poliuretana (TPU) dobijeni su primjenom SLA i FDM 3D štampe. Cilj istraživanja je određivanje korelacija između ulaznih procesnih parametara i izlaznih karakteristika štampanog materijala, kao i najuticajnijih faktora. Dobijeni rezultati ove doktorske disertacije obuhvataju analitički fizički modeli za objašnjenje karakteristika mekih materijala na osnovu parametara bioštampe, kao i analitički model stanjivanja usljed smicanja koji je povezan sa dimenzionom tačnošću štampanih struktura. Model Braunovog kretanja čestica analiziran je radi razvoja sistema za isporuku lekova u nanofluidima. Takođe su definisani optimalni parametari FDM 3D štampe za bolju dimenzionu tačnost, a utvrđena je i zavisnost trenja između slojeva u bioštampi od molekulske mase, temperature, normalnog opterećenja, brzine klizanja i prirode površine, kroz razvijeni analitički model. Istraživanje je pokazalo značajan uticaj brzine štampe na dimenzionu tačnost kod FDM tehnologije, određene su eksperimentalne mehaničke karakteristike finalnih uzoraka biomaterijala i razmotrene mogućnosti primene bioštampe za izradu intraokularnih sočiva. Razvijeni analitički model tangencijalnog napona pokazuje dobru saglasnost sa eksperimentalnim testovima pri malim brzinama smicanja i može se koristiti za okvirno definisanje parametara FDM 3D štampe radi poboljšanja dimenzione tačnosti, dok će buduća istraživanja biti usmerena na modeliranje pri visokim brzinama i nove kompozite.

The subject of this doctoral dissertation is the development of an analytical model for bioprinting non-Newtonian soft biomaterials with shear thinning effects for applications in ophthalmology. A mathematical model of shear stress for non-Newtonian gels and fluids was developed using the FENE (Finite Extensible Nonlinear Elastic) model, which relates shear stress, pressure, printing speed, and shear rate, taking into account viscosity, friction, and adhesion. Experimentally obtained parameters were used to analyze the interrelations of these factors in the 3D printing process. Experimental samples made from an elastic polymer similar to PDMS silicone and thermoplastic polyurethane (TPU) were produced using SLA and FDM 3D printing technologies. The aim of the research is to determine the correlations between input process parameters and output characteristics of the printed material, as well as to identify the most influential factors. The results of this dissertation include analytical physical models for explaining the behavior of soft materials based on bioprinting parameters, as well as an analytical model of shear thinning related to the dimensional accuracy of printed structures. The Brownian motion model of particles was analyzed for the development of drug delivery systems in nanofluids. Optimal FDM 3D printing parameters were defined to improve dimensional accuracy, and the dependence of interlayer friction in bioprinting on molecular weight, temperature, normal load, sliding speed, and surface properties was determined using the developed analytical model. The research demonstrated a significant influence of printing speed on dimensional accuracy in FDM technology, defined the experimental mechanical characteristics of final biomaterial samples, and explored the potential application of bioprinting for manufacturing intraocular lenses. The developed analytical model of shear stress shows good agreement with experimental results at low shear rates and can be used to roughly define FDM 3D printing parameters to improve dimensional accuracy, while future research will focus on modeling at high shear rates and on new soft material composites.

Meki materijali; Model tangencijalnog napona; Brzina smicanja; Koeficijent trenja; FENE (konačno rastezljivi nelinearni elastični) model; 3D štampa (trodimenzionalna štampa)

Soft materials; Tangential stress model; shear rate; friction coefficient; FENE (finite extensible nonlinear elastic) model; 3D printing

620.17:617.7‑089.243 (043.3)

Biomaterijali - Oftalmologija - Aditivna tehnologija

Tekst