3D afgedrukt poreuze Cellulose nanocomposietmaterialen Hydrogel steigers

Summary

De drie essentiële stappen van dit protocol zijn i) ontwikkeling van de juiste samenstelling en consistentie van de cellulose hydrogel inkt, ii) 3D printen van steigers in diverse poriën structuren met trouw van goede vorm en de afmetingen en de iii) demonstratie van de mechanische eigenschappen in gesimuleerde lichaam voorwaarden voor regeneratie van het kraakbeen.

Abstract

Dit werk toont het gebruik van driedimensionale (3D) afdrukken op het produceren van poreuze kubieke steigers met cellulose nanocomposietmaterialen hydrogel inkt, met gecontroleerde poriënstructuur en mechanische eigenschappen. Cellulose nanokristallen (CNCs, 69.62 wt %) gebaseerde hydrogel inkt met matrix (natriumalginaat en gelatine) werd ontwikkeld en 3D op steigers met uniforme en kleurovergang poriënstructuur (110-1100 µm) gedrukt. De steigers toonde compressie modulus in het bereik van 0.20-0,45 gesimuleerd MPa wanneer getest omstandigheden in vivo (in gedistilleerd water bij 37 ° C). De porie-grootte en de compressie modulus van de 3D steigers die gepaard gaan met de eisen die nodig zijn voor kraakbeen regeneratie toepassingen. Dit werk toont aan dat de consistentie van de inkt kan worden gecontroleerd door de concentratie van de precursoren en porositeit kan worden gecontroleerd door het 3D afdrukproces en beide van deze factoren bepaalt in ruil daarvoor de mechanische eigenschappen van het 3D afgedrukt poreuze hydrogel steiger. Dit proces-methode kan daarom worden gebruikt om fabriceren structureel en qua samenstelling aangepaste steigers volgens de specifieke behoeften van patiënten.

Introduction

Cellulose is een polysaccharide, bestaande uit lineaire ketens van β (1-4) gekoppelde D-glucose-eenheden. Het is de meest voorkomende natuurlijke polymeer op aarde en wordt gewonnen uit een verscheidenheid van bronnen, met inbegrip van zeedieren (b.v., manteldieren), planten (bijv. hout, katoen, tarwestro) en bacteriële bronnen, zoals algen (bijvoorbeeld Valonia), schimmels, en zelfs Amoebe (protozoa )^1,2. Cellulose nanofibers (CNF) en cellulose nanokristallen (CNC) met ten minste één dimensie op nanoschaal zijn verkregen door middel van mechanische behandelingen en zure hydrolyse van cellulose. Zij beschikken niet alleen over de eigenschappen van cellulose, zoals potentieel voor chemische modificatie, lage toxiciteit, biocompatibiliteit, biologisch afbreekbaar en hernieuwbare, maar heeft ook kenmerken van de nanoschaal zoals hoge specifieke oppervlakte, hoge mechanische eigenschappen , rheologische en optische eigenschappen. Deze aantrekkelijke eigenschappen hebben CNFs en CNCs geschikt voor biomedische toepassingen, voornamelijk in de vorm van 3-dimensionale (3D) hydrogel steigers³. Deze steigers vereist aangepaste afmetingen met gecontroleerde poriënstructuur en onderling verbonden porositeit. Onze fractie en anderen hebben gemeld 3D poreuze cellulose nanocomposieten bereid door gieten, electrospinning en trekkers^4,5,,^6,,^7,8. Echter controle over de structuur van de porie en fabricage van complexe geometrie wordt niet bereikt door deze traditionele technieken.

3D printen is een additief productietechniek, waarin 3D-objecten worden gemaakt laag voor laag door de computergestuurde afzetting van de inkt-⁹. De voordelen van 3D printen op traditionele technieken omvat ontwerpvrijheid, gecontroleerde macro en micro afmetingen, fabricage van complexe architecturen, aanpassing en reproduceerbaarheid.  Daarnaast biedt 3D printen van CNFs en CNCs ook schuintrekken-geïnduceerde uitlijning van nanodeeltjes, voorkeur directionaliteit, kleurovergang porositeit en kan gemakkelijk worden uitgebreid tot 3D bioprinting^{10,11,12, 13 , 14 , 15}. de dynamiek van CNCs uitlijning tijdens het afdrukken in 3D geweest rapporteerde onlangs,^16,17. Vooruitgang op het gebied van bioprinting hebben inschakelen 3D bedrukte weefsels en organen ondanks de betrokken uitdaging zoals keuze en concentratie van levende cellen en groeifactoren, samenstelling van de inkt van de vervoerder, afdrukken van druk en mondstuk diameters^{18 ,19,20}.

De porositeit en druksterkte van kraakbeen regeneratieve steigers zijn belangrijke eigenschappen die dicteert de efficiëntie en prestaties. Poriegrootte speelt een belangrijke rol voor de hechting, differentiatie en proliferatie van cellen, alsook wat betreft de uitwisseling van voedingsstoffen en metabolische afvalstoffen²¹. Echter, er is geen duidelijke poriegrootte die kan worden beschouwd als een ideale waarde, sommige studies bleek hoger topicale met kleinere poriën, terwijl anderen betere regeneratie van het kraakbeen met grotere poriën toonde. Macroporiën (< 500 µm) weefsel mineralisatie-, nutriënten aan- en afvoer van de afvalstoffen te vergemakkelijken terwijl micropores (150-250 µm) cel gehechtheid en betere mechanische eigenschappen^{22,23 vergemakkelijken}. De geïmplanteerde steiger moet voldoende mechanische integriteit vanaf het moment van behandeling, implantatie en tot de voltooiing van het gewenste doel. De statistische druksterkte modulus voor natuurlijke articulair kraakbeen is gemeld dat in de range van 0.1-2 MPa afhankelijk van leeftijd, geslacht en geteste locatie^{4,24,25,26,27 2928, ,}.

In onze eerdere werk¹¹, werd 3D printen gebruikt voor het fabriceren van poreuze bioscaffolds van een dubbele kruisverwijzende interpenetratie van polymeer network (IPN) van een hydrogel inkt met versterkte CNCs in een matrix van natriumalginaat en gelatine. Het 3D printen traject is geoptimaliseerd om 3D steigers met uniforme en kleurovergang porie structuren (80-2,125 µm) waar nanokristallen oriënteren bij voorkeur in de afdrukken richting (mate van oriëntatie tussen 61-76%). Hier presenteren wij onze de voortzetting van dit werk en toont het effect van de porositeit op de mechanische eigenschappen van 3D afgedrukt hydrogel steigers in gesimuleerde lichaam voorwaarden. CNCs hier, gebruikt werden eerder gemeld door ons cytocompatible en niet-toxisch (dat wil zeggen, celgroei na 15 dagen incubatie was bevestigd³⁰). Bovendien, steigers bereid via freeze-drying met behulp van de dezelfde CNCs, natriumalginaat en gelatine toonde hoge poreusheid, hoge opname van fosfaat buffer zoutoplossing en cytocompatibility richting mesenchymale stamcellen⁵. Het doel van dit werk is om aan te tonen de hydrogel inkt verwerking, 3D printen van poreuze steigers en het testen van de compressie. Schema’s van de route van de verwerking is afgebeeld in Figuur 1.

Protocol

1. bereiding van precursoren Voorbereiding van cellulose nanokristallen schorsingOpmerking: De isolatie van cellulose nanokristallen gebeurt volgens de procedure die is gerapporteerd door Mathew, et al.30. Verdunde 17 wt % opschorting van cellulose nanokristallen 2 wt % door het toevoegen van gedestilleerd water om een totaal volume van 2 L. Mix grondig met behulp van ultra ultrasoonapparaat en gebruik kleinere batches (250-300 mL) voor het efficiënt mengen. Doorg…

Representative Results

CNCs gebaseerd nanocomposietmaterialen hydrogel inkt toont een sterke niet-Newtoniaanse schuintrekken uitdunnen van gedrag (Figuur 2een). De schijnbare viscositeit van 1.55 × 105 Pa.s met een lage schuintrekken snelheid (0,001 s-1) daalt door vijf Ordes van grootte een waarde van 22.60 Pa.s met een snelheid van de afschuiving van 50 s-1 (≈50 s-1 wordt een typische schuintrekken tarief ervaren tijdens 3D printen)<sup class="xref"…

Discussion

3D printen vereist geschikt Rheologische eigenschappen van de hydrogel inkt. De hoge viscositeit inkt vergt extreme druk voor de extrusie terwijl lage viscositeit inkt niet zijn vorm na extrusie behouden zal. De viscositeit van de hydrogel inkt kan worden gecontroleerd door middel van de concentratie van de ingrediënten. In vergelijking met onze vorige werk¹¹, wordt het gehalte aan vaste stof van de hydrogel inkt verhoogd van 5,4 tot 9,9% van de wt resulterend in geconcentreerde hydrogel inkt die…

Materials

60 mL syringe	Structur3D Printing
Alginic acid sodium salt	Sigma-Aldrich	9005-38-3
Anhydrous calcium chloride	Sigma-Aldrich	10043-52-4
Clamps, three pronged, Talon	VWR	241-0404	102 mm, Dual adjustment clamp, large, clamp extension 127 mm
Cura 2.4.0	Ultimaker		Free slicing software
Discov3ry Complete	Structur3D Printing		Ultimaker 2+ 3D printer integrated with Discov3ry paste extruder
Gelatin from bovine skin	Sigma-Aldrich	9000-70-8
Glutaraldehyde solution 50 wt. % in H2O	Sigma-Aldrich	111-30-8
homogenizer	SPX	APV-2000
Instron 5960	Instron		Instron 5960, Biopuls Bath, 100 N load cell, 37 °C,
Physica MCR 301 rheometer	Anton Paar		CP25-2-SN7617, gap height 0.05 mm, 25 °C
Sorvall Lynx 6000 centrifuge	AB Ninolab	s/n 41881692	F12-rotor (6×500 ml)
stainless steel nozzle	Structur3D Printing		800, 600 and 400 µm
thingsinverse	MakerBot's		sharing and downloading 3D printable things in form of stl files
ultra sonication	Qsonica, LLC	Q500
Unbarked wood chips	Norway spruce(Picea abies)		dry matter content of 50–55%