Applicability of Double-network Emulsion Gel in Temperature-controlled Additive Manufacturing for Mimicking Bovine Adipose Tissue

Abstract

Replacing animal adipose tissue was discussed to consume meat products healthier and mitigate the threat of environmental change. However, animal adipose tissue has complex structures, making it difficult to mimic the mechanical properties. Thus, this paper investigated the mechanical and rheological properties of κ-carrageenan and sodium alginate-based emulsion gels at various κ-carrageenan concentrations and discussed their 3D printing performance. First, as a result of microstructure analysis, Emulsion gels presented dense network structures in which oil droplets were trapped in the polymer network. Evaluating the 3D printability and properties of emulsion gels involved performing rheological measurements (oscillatory temperature sweep, stress sweep, rotational shear-viscosity measurement and shear recovery test). Incorporating κ-carrageenan into alginate-based emulsion gels imparted them with thermo-reversible characteristics and demonstrated shear-thinning behavior, along with viscoelastic properties. The concentration of κ-carrageenan exhibited a positive correlation with the increase in storage modulus, loss modulus, and gelation temperature. The correlations between rheological properties and 3D printability were obtained by quantifying rheological properties of such as phase angle, yield stress, and shear-thinning coefficients. Specifically, the printability and shape retention performance of the printed structure were notably influenced by the ink's printing temperature. It is closely related to the gelation temperature of the ink. The results of texture profile analysis, emulsion gel ink exhibited that the hardness value increased with higher concentrations of κ-carrageenan and was measured similarly to bovine adipose tissue in the emulsion gel with 3 wt% κ-carrageenan. In this study, the correlation between rheological analysis and 3D printability analysis of κ-carrageenan/sodium alginate-based emulsion gels confirmed the availability of 3D printing and provided the necessary insights to mimic the function of bovine adipose tissue.;육류 제품을 더 건강하게 소비하고 환경 변화의 위협을 완화하기 위해 동물 지방 조직을 대체하는 방안이 논의되었습니다. 그러나 동물성 지방 조직은 구조가 복잡하여 기계적 특성을 모방하기가 어렵습니다. 따라서 본 논문에서는 다양한 카파 카라기난 농도에서 카파 카라기난과 알긴산 나트륨 기반 에멀젼 겔의 기계적 및 유변학적 특성을 조사하고 3D 프린팅 성능에 대해 논의했습니다. 먼저, 미세구조 분석 결과, 에멀젼 겔은 고분자 네트워크에 기름 방울이 갇혀 있는 조밀한 네트워크 구조를 나타냈습니다. 에멀젼 겔의 3D 프린팅 가능성과 특성을 평가하기 위해 유변학적 측정 (진동 온도 스윕, 응력 스윕,회전 전단-점도 측정 및 전단 회복 테스트)을 수행했습니다. 알긴산 나트륨 기반의 에멀젼 겔에 카파 카라기난을 첨가하면 열 가역적 특성이 부여되고 점탄성 특성과 함께 전단 박리 거동이 나타남이 입증되었습니다. 카파카라기난의 농도는 저장 계수, 손실 계수 및 겔화 온도의 증가와 양의 상관관계를 보였습니다. 유변학적 특성과 3D 프린팅 가능성 간의 상관관계는 위상각, 항복응력, 전단 박리 계수 등의 유변학적 특성을 정량화하여 구하였습니다. 특히, 인쇄된 구조물의 프린팅 가능성과 형태 유지 성능은 잉크의 프린팅 온도에 따라 크게 영향을 받았습니다. 이는 잉크의 겔화온도와 밀접한 관련이 있습니다. 저작 특성 분석 결과, 에멀젼 겔은 카파카라기난 농도가 증가할수록 경도 값이 증가하는 것으로 나타났으며,카파 카라기난 농도가 3 wt%인 에멀젼 겔의 경우 소의 지방 조직과 유사하게측정되었습니다. 이 연구에서는 카파 카라기난 및 알긴산 나트륨 기반 에멀젼 겔의 유변학적 분석과 3D 프린팅 가능성 분석 간의 상관관계 파악을 통해 3D 프린팅 가능성을 확인하고 소 지방 조직의 기능을 모방하는 데 필요한통찰력을 제공했습니다.