Cellulose Nanofiber Matrix-Assisted 3D Printing

Abstract

Cellulose nanofibers (CNFs) are attracting material for a three-dimensional (3D) printing matrix due to excellent rheological characteristics. In 3D printing with CNFs, a nozzle moves through the viscoelastic CNF matrix and makes patterns with ink materials. Rheological properties of CNFs are related to various factors including fiber dimension and concentration of CNFs in the aqueous dispersion, and influence on the printing fidelity. The different morphology of CNFs was prepared by varying the degree of carboxymethylation with CNFs. The printing fidelity was evaluated by observing the shape of ink features that were printed directly inside the CNF matrix. The relationship between the rheological properties of the CNF matrix and the printing fidelity was investigated on the printing speed, strain fields, and yielded regions. The cell-containing bio-ink and hydrophobic silicon-based inks were printed in the CNF matrix in a complex structure with high printing fidelity. Amazingly, the structure printed freely in the CNF hydrogels was able to retain its highly resolved 3D features in an ultrathin two-dimensional (2D) paper using a simple drying process. The dimensional change in the CNF hydrogels from 3D to 2D resulted from simple dehydration of the CNFs and provided transparent, stackable paper-based 3D channel devices. The CNF devices exhibited selective diffusion of molecules from the channel wall, indicating the applicability for the sensor and the cell culture platforms.

본 논문에서는 셀룰로오스 나노섬유 하이드로겔을 3D 프린팅 매트릭스로 활용하기 위한 전략과 프린팅 충실도를 평가하기 위한 기준을 제시하였고, 건조 시 얇고 투명한 필름을 제조할 수 있다는 특성을 바탕으로 마이크로유체칩을 제조하였다. 셀룰로오스 나노섬유는 3차원 인쇄에 적합한 유변학적 특성으로 인해 최근 3D 프린팅 분야에서 주목을 받아왔으며, 3D 프린팅 잉크로의 활용 가능성이 높은 재료이다. 그러나 하이드로겔 잉크는 변형에 취약하여 기존의 프린팅 기술로는 3차원 구조물을 제조하는데 한계가 있어, 구조물을 지지해줄 수 있는 매트릭스 재료를 활용한 매트릭스 지원 3D 프린팅 기술이 제안되었다. 현재까지 셀룰로오스 나노섬유를 3D 프린팅 매트릭스로 활용하고자 하는 연구는 보고된 바가 없으며 본 연구에서는 셀룰로오스 나노섬유가 3D 프린팅 매트릭스로 활용되기 위한 최적의 조건을 탐색하였다. 셀룰로오스 나노섬유의 유변학적 특성은 섬유의 크기 및 농도에 의해 결정된다. 본 연구에서는 섬유의 크기를 카르복시메틸화를 통해 조절하였으며, 다양한 농도 조건에서의 프린팅 충실도를 평가하기 위한 기준을 제시하였다. 프린팅 충실도는 셀룰로오스 나노섬유 매트릭스와 혼화성의 차이를 보이는 친수성, 소수성 모델 잉크를 프린팅 하고 잉크의 형상을 관찰하여 평가하는 방식으로 진행하였다. 각이진 선을 프린팅 하고 각도의 날카로운 정도와 잉크의 단면 비율, 그리고 잉크 표면 거칠기를 분석하여 매트릭스의 유변학적 특성과 프린팅 충실도 간의 관계를 분석하였다. 이를 활용하여 셀룰로오스 나노섬유 매트릭스 내부에 바이오 잉크를 프린팅 할 수 있었으며 소수성 실리콘 기반 잉크로 복잡한 3차원 구조체를 제조할 수 있었다. 셀룰로오스 나노섬유는 프린팅 매트릭스로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 간단한 건조과정을 통해 얇고 투명한 디바이스를 제조하기 최적화 되어있는 재료이다. 이러한 장점을 활용하여 셀룰로오스 나노섬유 기반의 마이크로유체칩을 제조할 수 있었다. 셀룰로오스 나노섬유의 투명도와 물질확산특성은 화학 센서뿐만 아니라 세포를 배양하고 세포의 거동을 분석할 수 있는 세포 배양 플랫폼으로도 활용될 수 있었다.