3D Printing Wood Tissue
Doktorsavhandling, 2018
Inspired by the composition, crosslinking mechanism, anisotropy and structural design of natural wood tissue, this work has established a platform for 3D printing wood biopolymers into hierarchical wood-like structures. The platform consists of extrusion-based 3D printers, designed printing pathways, and wood based solutions and dispersions which are called inks. We found that inks of both cellulose dissolved in ionic liquid and dispersions of cellulose nanofibrils (CNF) were printable due to their shear thinning properties. Good printing fidelity of cellulose solutions required a continuous gel formation. Printing on a coagulating gel allowed non-solvent to diffuse through the print and instantly regenerate cellulose. Diffusion through multiple layers was however challenging making it difficult to 3D print large constructs. CNF (1-4 wt%) exhibits a yield stress, and stops flowing when leaving the nozzle which facilitated the printing of multilayered structures, i.e. an ear. This also contributed to the printing resolution (≈ 300 μm). However, without crosslinking, the printed CNF could not withstand mechanical force. Hence, CNF was mixed with crosslinkable biopolymers. The mixed inks remained printable for CNF concentrations above 2 wt%. The crosslinking time was below 10 minutes and gel strength increased with the concentration of crosslinkable biopolymers. Inks containing alginate were ionically crosslinked and formed reversible hydrogels. Enzymatic crosslinking, similar to the polymerization of monolignols in the wood cell wall was obtained by substituting carboxylic groups (COOH) of hemicelluloses with tyramine. Hydrogels with tunable mechanical properties were obtained by varying the degree of substitution by using xylan, or TEMPO oxidized galactoglucomannan with degrees of oxidation from 10 to 60%. A computational fluid dynamics simulation tool was studied as a complement to 3D printing tests of new inks to evaluate printability. By simulation, it was easy to isolate parameters such as printing speed and printing height to study their influence on printing fidelity. Finally, natural bottom up assembly of wood tissue was substituted with 3D printing. G-code substituted genome and the cellulose was extruded by a printer head instead of the rosette. Structures that resemble morphological features found in wood were prepared by computer aided design and printed with all wood based inks. Control of printing paths provided anisotropic features resembling the micro fibril angle of the cell wall.
The breakthrough of this work is the 3D shaping of wood by a bottom up process. Consequently, products assembled by wood biopolymers can transform from 2D (paper, board, films, textiles) to 3D. The concepts developed in this work can be employed in future applications of 3D printing with wood based materials, such as garments, electronics, wound dressings and packaging.
Hydrogel
Galactoglucomannan
Crosslinking
Biocomposite
3D Printing
Wood Tissue
Xylan
Printability
Cellulose Nanofibrils
Författare
Kajsa Markstedt
Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi
3D Bioprinting of Cellulose Structures from an Ionic Liquid
3D Printing and Additive Manufacturing,;Vol. 1(2014)p. 115-121
Artikel i vetenskaplig tidskrift
3D Bioprinting Human Chondrocytes with Nanocellulose-Alginate Bioink for Cartilage Tissue Engineering Applications
Biomacromolecules,;Vol. 16(2015)p. 1489-1496
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Synthesis of tunable hydrogels based on O-acetyl-galactoglucomannans from spruce
Carbohydrate Polymers,;Vol. 157(2017)p. 1349-1357
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Biomimetic Inks Based on Cellulose Nanofibrils and Cross-Linkable Xylans for 3D Printing
ACS Applied Materials & Interfaces,;Vol. 9(2017)p. 40878-40886
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Göhl, J.; Markstedt, K.; Mark, A.; Håkansson, K.; Gatenholm, P.; Edelvik, F., Simulations of 3d Bioprinting: Predicting Bioprintability of Nanofibrillar Inks.
Markstedt, K.; Håkansson, K; Toriz, G; Gatenholm, P., 3D printing wood tissue
Utöver att samhället behöver minska sin klimatpåverkan, möts vi även av digitalisering. Digitalisering har till exempel minskat vårt behov av papper, och det finns därför utrymme att använda pappersmassa till andra användningsområden. Digitalisering bidrar även till nya tekniker, där 3D-skrivare utvecklats tack vare digitalt baserad design (CAD) och produktion (CAM). Med 3D-skrivare omvandlas en 3D-bild i datorn genom några få steg till en verklig 3D-modell. Det är en additiv tillverkningsprocess där modellen byggs upp av material ett lager i taget. Följaktligen går mindre material till spillo jämfört med om modellen hade skurits ut från ett block av material. Det finns nu en mängd olika 3D-skrivare som är anpassade efter olika material, allt från metaller och plaster till saker vi kan äta så som choklad.
Denna avhandling presenterar hur material från träd kan användas i 3D-skrivare för att bygga upp strukturer som efterliknar vedvävnaden. Egentligen är ved i sig resultatet av en additiv process i naturen, där trädets byggstenar succesivt organiseras i komplexa strukturer så att vedens styrka, flexibilitet och densitet tillgodoser trädets behov. Kunskap om ved och dess hierarkiska uppbyggnad, från träfibrer till årsringarna i träd, har använts som inspiration till hur trädets byggstenar kan användas på bästa sätt i 3D-skrivaren. De vanligaste 3D-skrivarna smälter material för att kunna formas till ett 3D-objekt. Ved kan inte smältas. Därför har istället 3D-skrivare som formar vätskor och geler använts. Ved kan liknas vid en naturlig komposit där cellulosa bidrar med styrka medan hemicellulosa tillsammans med lignin är limmet som håller cellulosan på plats. För att 3D-printa strukturer som efterliknar ved, har cellulosa därför använts som det strukturbärande materialet. Hemicellulosa har i sin tur kemiskt modifierats med en lignin-liknande molekyl så att den kan forma en gel som håller ihop strukturen.
I stort visar detta arbete på de fantastiska möjligheter som finns av att använda nya teknologier med nya material. Det finns många användningsområden där 3D-skrivare kan användas med träbaserade material: mediciner, förpackningar, kläder, möbler och hus. I framtiden kanske du 3D-printar trä hemma hos dig!
Ämneskategorier
Polymerkemi
Pappers-, massa- och fiberteknik
Polymerteknologi
Kompositmaterial och -teknik
Drivkrafter
Hållbar utveckling
Styrkeområden
Materialvetenskap
ISBN
978-91-7597-746-1
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4427
Utgivare
Chalmers
KB-salen, Kemigården 4, Chalmers.
Opponent: Professor Orlando Rojas, Department of Bioproducts and Biosystems, Aalto University, Finland