Fabrication and Characterization of Flexible Medical-Grade TPU Filament for Fused Deposition Modeling 3DP Technology - Publikacja - MOST Wiedzy


Fabrication and Characterization of Flexible Medical-Grade TPU Filament for Fused Deposition Modeling 3DP Technology


The possibility of using additive manufacturing (AM) in the medicine area has created new opportunities in health care. This has contributed to a sharp increase in demand for 3D printers, their systems and materials that are adapted to strict medical requirements. We described herein a medical-grade thermoplastic polyurethane (S-TPU) which was developed and then formed into a filament for Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printers during a melt-extrusion process. S-TPU consisting of aliphatic hexamethylene 1,6-diisocyanate (HDI), amorphous ,!-dihydroxy(ethylene-butylene adipate) (PEBA) and 1,4 butandiol (BDO) as a chain extender, was synthesized without the use of a catalyst. The filament (F-TPU) properties were characterized by rheological, mechanical, physico-chemical and in vitro biological properties. The tests showed biocompatibility of the obtained filament as well as revealed no significant effect of the filament formation process on its properties. This study may contribute to expanding the range of medical-grade flexible filaments for standard low-budget FDM printers.


  • 4 4


  • 4 2

    Web of Science

  • 4 4


Cytuj jako

Pełna treść

pobierz publikację
pobrano 65 razy
Wersja publikacji
Accepted albo Published Version
Creative Commons: CC-BY otwiera się w nowej karcie

Słowa kluczowe

Informacje szczegółowe

Publikacja w czasopiśmie
artykuł w czasopiśmie wyróżnionym w JCR
Opublikowano w:
Polymers nr 10, wydanie 12, strony 1304 - 1323,
ISSN: 2073-4360
Rok wydania:
Opis bibliograficzny:
Haryńska A., Gubańska I., Kucińska-Lipka J., Janik H.: Fabrication and Characterization of Flexible Medical-Grade TPU Filament for Fused Deposition Modeling 3DP Technology// Polymers. -Vol. 10, iss. 12 (2018), s.1304-1323
Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.3390/polym10121304
Bibliografia: test
  1. Javaid, M.; Haleem, A. Additive manufacturing applications in medical cases: A literature based review. Alexandria J. Med. 2017. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  2. Schubert, C.; Van Langeveld, M.C.; Donoso, L.A. Innovations in 3D printing: A 3D overview from optics to organs. Br. J. Ophthalmol. 2014, 98, 159-161. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  3. Ventola, C.L. Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses. Pharm. Ther. 2014, 39, 704-711. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  4. Klammert, U.; Gbureck, U.; Vorndran, E.; Rödiger, J.; Meyer-Marcotty, P.; Kübler, A.C. 3D powder printed calcium phosphate implants for reconstruction of cranial and maxillofacial defects. J. Cranio-Maxillofacial Surg. 2010, 38, 565-570. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  5. Bergmann, C.; Lindner, M.; Zhang, W.; Koczur, K.; Kirsten, A.; Telle, R.; Fischer, H. 3D printing of bone substitute implants using calcium phosphate and bioactive glasses. J. Eur. Ceram. Soc. 2010, 30, 2563-2567. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  6. Lee, M.-Y.; Chang, C.-C.; Ku, Y.C. New layer-based imaging and rapid prototyping techniques for computer-aided design and manufacture of custom dental restoration. J. Med. Eng. Technol. 2008, 32, 83-90. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  7. O'reilly, M.K.; Reese, S.; Herlihy, T.; Geoghegan, T.; Cantwell, C.P.; Feeney, R.N.M.; Jones, J.F.X. Fabrication and Assessment of 3D Printed Anatomical Models of the Lower Limb for Anatomical Teaching and Femoral Vessel Access Training in Medicine. Anat. Sci. Educ. 2015. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  8. Qiu, K.; Zhao, Z.; Haghiashtiani, G.; Guo, S.-Z.; He, M.; Su, R.; Zhu, Z.; Bhuiyan, D.B.; Murugan, P.; Meng, F.; et al. 3D Printed Organ Models with Physical Properties of Tissue and Integrated Sensors. Adv. Mater. Technol. 2017, 1700235, 1-9. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  9. Garcia, J.; Yang, Z.; Mongrain, R.; Leask, R.L.; Lachapelle, K. 3D printing materials and their use in medical education: a review of current technology and trends for the future. BMJ Simul. Technol. Enhanc. Learn. 2017. bmjstel-2017-000234. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  10. Ikada, Y. Challenges in tissue engineering. J. R. Soc. Interface 2006, 3, 589-601. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  11. Hutmacher, D.W. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials 2000, 21, 2529-2543. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  12. ASTM F2792-10, Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies; ASTM International: West Conshohocken, PA, USA, 2010. otwiera się w nowej karcie
  13. Kim, G.B.; Lee, S.; Kim, H.; Yang, D.H.; Kim, Y.-H.; Kyung, Y.S.; Kim, C.-S.; Choi, S.H.; Kim, B.J.; Ha, H.; et al. Three-Dimensional Printing: Basic Principles and Applications in Medicine and Radiology. Korean J. Radiol. 2016, 17, 182-197. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  14. Cui, X.; Boland, T. Human microvasculature fabrication using thermal inkjet printing technology. Biomaterials 2009, 30, 6221-6227. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  15. Gaebel, R.; Ma, N.; Liu, J.; Guan, J.; Koch, L.; Klopsch, C.; Gruene, M.; Toelk, A.; Wang, W.; Mark, P.; et al. Patterning human stem cells and endothelial cells with laser printing for cardiac regeneration. Biomaterials 2011, 32, 9218-9230. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  16. Merceron, T.K.; Burt, M.; Seol, Y.J.; Kang, H.W.; Lee, S.J.; Yoo, J.J.; Atala, A. A 3D bioprinted complex structure for engineering the muscle-tendon unit. Biofabrication 2015, 7, 35003. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  17. Palareti, G.; Legnani, C.; Cosmi, B.; Antonucci, E.; Erba, N.; Poli, D.; Testa, S.; Tosetto, A. Comparison between different D-Dimer cutoff values to assess the individual risk of recurrent venous thromboembolism: analysis of results obtained in the DULCIS study. Int. J. Lab. Hematol. 2016, 38, 42-49. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  18. Miri, A.K.; Nieto, D.; Iglesias, L.; Goodarzi Hosseinabadi, H.; Maharjan, S.; Ruiz-Esparza, G.U.; Khoshakhlagh, P.; Manbachi, A.; Dokmeci, M.R.; Chen, S.; et al. Microfluidics-Enabled Multimaterial Maskless Stereolithographic Bioprinting. Adv. Mater. 2018, 30, 1-9. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  19. Oskui, S.M.; Diamante, G.; Liao, C.; Shi, W.; Gan, J.; Schlenk, D.; Grover, W.H. Assessing and Reducing the Toxicity of 3D-Printed Parts. Environ. Sci. Technol. Lett. 2016, 3, 1-6. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  20. Xu, N.; Ye, X.; Wei, D.; Zhong, J.; Chen, Y.; Xu, G.; He, D. 3D artificial bones for bone repair prepared by computed tomography-guided fused deposition modeling for bone repair. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 14952-14963. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  21. Vargas-Alfredo, N.; Dorronsoro, A.; Cortajarena, A.L.; Rodríguez-Hernández, J. Antimicrobial 3D Porous Scaffolds Prepared by Additive Manufacturing and Breath Figures. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 37454-37462. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  22. Melocchi, A.; Parietti, F.; Maroni, A.; Foppoli, A.; Gazzaniga, A.; Zema, L. Hot-melt extruded filaments based on pharmaceutical grade polymers for 3D printing by fused deposition modeling. Int. J. Pharm. 2016, 509, 255-263. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  23. Mohseni, M.; Hutmacher, D.W.; Castro, N.J. Independent evaluation of medical-grade bioresorbable filaments for fused deposition modelling/fused filament fabrication of tissue engineered constructs. Polymers (Basel). 2018, 10, 40. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  24. O'Brien, F.J. Biomaterials & scaffolds for tissue engineering. Mater. Today 2011, 14, 88-95. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  25. Patrício, T.; Domingos, M.; Gloria, A.; Bártolo, P. Characterisation of PCL and PCL/PLA scaffolds for tissue engineering. Procedia CIRP 2013, 5, 110-114. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  26. Zein, I.; Hutmacher, D.W.; Tan, K.C.; Teoh, S.H. Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications. Biomaterials 2002, 23, 1169-1185. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  27. Hutmacher, D.W.; Schantz, T.; Zein, I.; Ng, K.W.; Teoh, S.H.; Tan, K.C. Mechanical properties and cell cultural response of polycaprolactone scaffolds designed and fabricated via fused deposition modeling. J. Biomed. Mater. Res. 2001, 55, 203-216. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  28. Kucinska-Lipka, J.; Gubanska, I.; Strankowski, M.; Cieśliński, H.; Filipowicz, N.; Janik, H. Synthesis and characterization of cycloaliphatic hydrophilic polyurethanes, modified with L-ascorbic acid, as materials for soft tissue regeneration. Mater. Sci. Eng. C 2017, 75, 671-681. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  29. Cauich-rodríguez, J.V.; Chan-Chan, L.H.; Hernandez-Sánchez, F.; Cervantes-Uc, J.M. Degradation of Polyurethanes for Cardiovascular Applications. In Advances in Biomaterials Science and Biomedical Applications;
  30. Pignatello, R., Ed.; InTechOpen: Rijeka, Croatia, 2012; pp. 51-82, ISBN 978-953-51-1051-4.
  31. Davis, F.J.; Mitchell, G.R. Polyurethane Based Materials with Applications in Medical Devices. In Bio-Materials and Prototyping Applications in Medicine; CRC press: Washington, DC, USA, 2008; pp. 27-48. otwiera się w nowej karcie
  32. Kucińska-Lipka, J.; Gubanska, I.; Pokrywczynska, M.; Ciesliński, H.; Filipowicz, N.; Drewa, T.; Janik, H. Polyurethane porous scaffolds (PPS) for soft tissue regenerative medicine applications. Polym. Bull. 2017, 1-23. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  33. Borkenhagen, M.; Stoll, R.C.; Neuenschwander, P.; Suter, U.W.; Aebischer, P. In vivo performance of a new biodegradable polyester urethane system used as a nerve guidance channel. Biomaterials 1998, 19, 2155-2165. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  34. Lamba, N.M.K.; Woodhouse, K.A.; Cooper, S.L.; Lelah, M.D. Polyurethanes in biomedical applications; CRC press: Washington, DC, 1998; ISBN 9780849345173. otwiera się w nowej karcie
  35. Jung, S.Y.; Lee, S.J.; Kim, H.Y.; Park, H.S.; Wang, Z.; Kim, H.J.; Yoo, J.J.; Chung, S.M.; Kim, H.S. 3D printed polyurethane prosthesis for partial tracheal reconstruction: A pilot animal study. Biofabrication 2016, 8, 045015. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  36. Tsai, K.J.; Dixon, S.; Hale, L.R.; Darbyshire, A.; Martin, D.; de Mel, A. Biomimetic heterogenous elastic tissue development. npj Regen. Med. 2017, 2, 16. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  37. Kucińska-Lipka, J.; Gubanska, I.; Skwarska, A. Microporous Polyurethane Thin Layer as a Promising Scaffold for Tissue Engineering. Polymers (Basel). 2017, 9, 277. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  38. Park, H.; Gong, M.-S.; Knowles, J.C. Catalyst-free synthesis of high elongation degradable polyurethanes containing varying ratios of isosorbide and polycaprolactone: physical properties and biocompatibility. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2013, 24, 281-294. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  39. Kim, H.-J.; Kang, M.-S.; Knowles, J.C.; Gong, M.-S. Synthesis of highly elastic biocompatible polyurethanes based on bio-based isosorbide and poly(tetramethylene glycol) and their properties. J. Biomater. Appl. 2014, 29, 454-464. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  40. Tanzi, M.C.; Verderio, P.; Lampugnani, M.G.; Resnati, M.; Dejana, E.; Sturani, E. Cytotoxicity of some catalysts commonly used in the synthesis of copolymers for biomedical use. J. Mater. Sci. Mater. Med. 1994, 5, 393-396. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  41. Hassan, M.; Mauritz, K.; Storey, R.; Wiggins, J. Biodegradable Aliphatic Thermoplastic Polyurethane Based on Poly(e-caprolactone) and L-Lysine Diisocyanate. J. Polym. Sci. Part A Polym. Chem. 2006, 44, 2990-3000. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  42. Heijkants, R.G.J.C.; Van Calck, R.V.; Van Tienen, T.G.; De Groot, J.H.; Buma, P.; Pennings, A.J.; Veth, R.P.H.; Schouten, A.J. Uncatalyzed synthesis, thermal and mechanical properties of polyurethanes based on poly(ε-caprolactone) and 1,4-butane diisocyanate with uniform hard segment. Biomaterials 2005, 26, 4219-4228. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  43. Barrioni, B.R.; De Carvalho, S.M.; Oréfice, R.L.; De Oliveira, A.A.R.; Pereira, M.D.M. Synthesis and characterization of biodegradable polyurethane films based on HDI with hydrolyzable crosslinked bonds and a homogeneous structure for biomedical applications. Mater. Sci. Eng. C 2015, 52, 22-30. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  44. Janik, H.Z. Struktury nadcząsteczkowe i wybrane właściwości rozgałęzionych i usieciowanych poli(estro-uretanów), poli(etero-uretanów) i poli(uretano-biuretów) formowanych reaktywnie. Zesz. Nauk. Politech. Gdańskiej. Chem. 2005, Nr 53(599), 3-141.
  45. Pietrzak, K.; Isreb, A.; Alhnan, M.A. A flexible-dose dispenser for immediate and extended release 3D printed tablets. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2015, 96, 380-387. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  46. Sun, Q.; Rizvi, G.M.; Bellehumeur, C.T.; Gu, P. Effect of processing conditions on the bonding quality of FDM polymer filaments. Rapid Prototyp. J. 2008, 14, 72-80. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  47. Gkartzou, E.; Koumoulos, E.P.; Charitidis, C.A. Production and 3D printing processing of bio-based thermoplastic filament. Manuf. Rev. 2017, 4, 1. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  48. Nezarati, R.M.; Eifert, M.B.; Dempsey, D.K.; Cosgriff-Hernandez, E. Electrospun vascular grafts with improved compliance matching to native vessels. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 2015, 103, 313-323. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  49. Qin, Y.; Liu, R.; Zhao, Y.; Hu, Z.; Li, X. Preparation of Dipyridamole/Polyurethane Core-Shell Nanofibers by Coaxial Electrospinning for Controlled-Release Antiplatelet Application. J. Nanosci. Nanotechnol. 2016, 16, 6860-6866. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  50. Wang, H.; Feng, Y.; Fang, Z.; Yuan, W.; Khan, M. Co-electrospun blends of PU and PEG as potential biocompatible scaffolds for small-diameter vascular tissue engineering. Mater. Sci. Eng. C 2012, 32, 2306-2315. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  51. Wang, H.; Feng, Y.; An, B.; Zhang, W.; Sun, M.; Fang, Z.; Yuan, W.; Khan, M. Fabrication of PU/PEGMA crosslinked hybrid scaffolds by in situ UV photopolymerization favoring human endothelial cells growth for vascular tissue engineering. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2012, 23, 1499-1510. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  52. Yuan, W.; Feng, Y.; Wang, H.; Yang, D.; An, B.; Zhang, W.; Khan, M.; Guo, J. Hemocompatible surface of electrospun nanofibrous scaffolds by ATRP modification. Mater. Sci. Eng. C 2013, 33, 3644-3651. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  53. NinjaTek Technical Sepcification of NinjaFlex 3D Printing Filament. Available online: https://ninjatek.com/ wp-content/uploads/2016/05/NinjaFlex-TDS.pdf (accessed on 4 March 2018). otwiera się w nowej karcie
  54. Chen, R.; Huang, C.; Ke, Q.; He, C.; Wang, H.; Mo, X. Preparation and characterization of coaxial electrospun thermoplastic polyurethane/collagen compound nanofibers for tissue engineering applications. Colloids Surfaces B Biointerfaces 2010, 79, 315-325. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  55. Detta, N.; Errico, C.; Dinucci, D.; Puppi, D.; Clarke, D.A.; Reilly, G.C.; Chiellini, F. Novel electrospun polyurethane/gelatin composite meshes for vascular grafts. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2010, 21, 1761-1769. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  56. Filoalfa-Bioflex Filament. Available online: https://www.filoalfa3d.com/en/filaments-175mm/296-bioflex- pla-shore-27d-white-o-175-mm-8050327032385.html (accessed on 4 March 2018).
  57. Kucinska-Lipka, J.; Gubanska, I.; Sienkiewicz, M. Thermal and mechanical properties of polyurethanes modified with L-ascorbic acid. J. Therm. Anal. Calorim. 2017, 127, 1631-1638. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  58. Socrates, G. Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies: Tables and Charts; third; otwiera się w nowej karcie
  59. John Wiley & Sons, Ltd.: Hoboken, NJ, USA, 2004; ISBN 978-0-470-09307-8.
  60. Yilgor, I.; Yilgor, E.; Guler, I.G.; Ward, T.C.; Wilkes, G.L. FTIR investigation of the influence of diisocyanate symmetry on the morphology development in model segmented polyurethanes. Polymer (Guildf). 2006, 47, 4105-4114. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  61. Janik, H. Progress in the studies of the supermolecular structure of segmented polyurethanes. Polimery 2010, 55, 419-500. otwiera się w nowej karcie
  62. Menzies, K.L.; Jones, L. The impact of contact angle on the biocompatibility of biomaterials. Optom. Vis. Sci. 2010, 87, 387-399. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  63. Anderson, J.; Rodrigues, A.; Chang, D. Ferogin Body Reaction To Biometerials. Semin. Immunol. 2008, 20, 86-100. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  64. Fromstein, J.D.; Woodhouse, K.A. Elastomeric biodegradable polyurethane blends for soft tissue applications. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2002, 13, 391-406. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  65. Xin, Z.; Du, B.; Wang, Y.; Qian, S.; Li, W.; Gao, Y.; Sun, M.; Luan, S.; Yin, J. Hemocompatibility Evaluation of Polyurethane Film with Surface-Grafted Sugar-Based Amphipathic Compounds. J. Anal. Bioanal. Tech. 2017, 8, 1-6. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  66. Williams, D.F. On the mechanisms of biocompatibility. Biomaterials 2008, 29, 2941-2953. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
  67. Tahara, D.; Oikawa, N.; Kurita, R. Mobility enhancement of red blood cells with biopolymers. J. Phys. Soc. Japan 2016, 85, 10-12. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  68. Keshel, S.H.; Azhdadi, S.N.K.; Asefnejad, A.; Sadraeian, M.; Montazeri, M.; Biazar, E. The relationship between cellular adhesion and surface roughness for polyurethane modified by microwave plasma radiation. Int. J. Nanomedicine 2011, 6, 641-647. [CrossRef] [PubMed] otwiera się w nowej karcie
Politechnika Gdańska

wyświetlono 90 razy

Publikacje, które mogą cię zainteresować

Meta Tagi