3D طبع السقالات السليلوز المسامية المائية نانوي
Summary
ثلاث خطوات حاسمة في هذا البروتوكول هي ط) تطوير التكوين الصحيح والمسام اتساق الحبر المائية السليلوز، ثانيا) 3D الطباعة من السقالات في مختلف الهياكل مع الإخلاص جيدة الشكل والأبعاد والثالث) مظاهرة الخواص الميكانيكية في ظروف محاكاة الجسم لتجديد الغضاريف.
Abstract
يوضح هذا العمل استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) لإنتاج السقالات مكعب مسامية استخدام السليلوز نانوي المائية الحبر، مع هيكل المسام التي تسيطر عليها والخصائص الميكانيكية. نانوكريستالس السليلوز (مركزا، 69.62 wt %) وقد وضع المائية استناداً إلى الحبر مع مصفوفة (الجينات الصوديوم والجيلاتين) 3D طباعتها إلى السقالات مع هيكل مسام موحد والتدرج (110-1,100 ميكرومتر). أظهرت السقالات معامل ضغط في النطاق من 0.20-0.45 الآلام والكروب الذهنية عند اختباره في محاكاة ظروف المجراة في (في الماء المقطر عند 37 درجة مئوية). في أحجام المسام ومعامل ضغط من السقالات 3D المتطابقة مع المتطلبات اللازمة لتطبيقات تجديد الغضاريف. يوضح هذا العمل أن اتساق الحبر يمكن التحكم بتركيز على السلائف والمساميه يمكن التحكم بواسطة عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد وكل من هذه العوامل في المقابل يعرف الميكانيكية خصائص 3D الطباعة المسامية سقالة المائية. ولذلك يمكن استخدام هذا الأسلوب عملية اختﻻق السقالات هيكلياً وشكل تركيبي مخصصة وفقا للاحتياجات المحددة للمرضى.
Introduction
السليولوز هو السكاريد تتكون من سلاسل خطية من β وحدات د-الجلوكوز المرتبط (1-4). وهو البوليمر الطبيعية الأكثر وفرة على الأرض ويستخرج من مجموعة متنوعة من المصادر، بما في ذلك الحيوانات البحرية (مثلاً، تونيكاتيس) والنباتات (مثل الخشب والقطن وقش القمح) ومصادر البكتيرية، مثل الطحالب (فالونيا مثلاً)، والفطريات، وحتى أميبا (البروتوزوا )1،2. الحصول على السليلوز النانو (CNF) ونانوكريستالس السليلوز (الحاسب الآلي) مع البعد واحد على الأقل في النانو من خلال المعالجات الميكانيكية والتحلل المائي الحمضي من السليولوز. ليس فقط لديهم خصائص السليلوز، مثل إمكانية تعديل المواد الكيميائية، والمنخفضة السمية، وتوافق مع الحياة، القابلة للتحلل، والمتجددة، ولكن لها أيضا خصائص النانو مثل ارتفاع مساحة محددة، الخصائص الميكانيكية العالية ، الخصائص الضوئية وانسيابية. هذه خصائص جذابة جعلت كنفس ومركزا مناسباً للتطبيقات الطبية الحيوية، أساسا في شكل ثلاثي الأبعاد (3D) السقالات المائية3. وتتطلب هذه السقالات الأبعاد المخصصة مع هيكل المسام التي تسيطر عليها والمترابطة المسامية. وأفادت مجموعتنا وآخرون نانومترى السليلوز مسامية 3D أعدت عن طريق الصب، واليكتروسبينينج، والتجميد4،،من56،،من78. غير أن السيطرة على هيكل المسام وتلفيق هندسة معقدة لا يتحقق من خلال هذه التقنيات التقليدية.
3D الطباعة هو أسلوب تصنيع مضافة، التي يتم إنشاء الكائنات 3D طبقة بطبقة من خلال ترسب الحبر9الكمبيوتر التي تسيطر عليها. مزايا الطباعة 3D على التقنيات التقليدية ليشمل حرية تصميم، الماكرو التي تسيطر عليها والأبعاد الدقيقة، تلفيق أبنية معقدة والتخصيص وإمكانية تكرار نتائج. وبالإضافة إلى ذلك، يوفر 3D الطباعة كنفس ومركزا أيضا التحالفات التي يسببها القص من جسيمات نانوية، يفضل اتجاهية، مسامية متدرجة ويمكن أن تمتد بسهولة إلى، بيوبرينتينج 3D10،،من1112 13 , 14 , 15-في الآونة الأخيرة، أفادت ديناميات مركزا تم محاذاة أثناء الطباعة 3D16،17. وقد تمكن التقدم في ميدان بيوبرينتينج 3D مطبوعة الأنسجة والأعضاء على الرغم من التحدي الذي ينطوي عليها مثل الاختيار وتركيز الخلايا الحية وعوامل النمو، تكوين الحبر الناقل، طباعة الضغوط وأقطار فوهة18 ،،من1920.
المسامية وقوة ضاغطة للسقالات التجدد الغضروف هي الخصائص الهامة التي تملي على الكفاءة والأداء. حجم المسام دوراً هاما للالتصاق والتمايز، وتكاثر الخلايا، وكذلك فيما يتعلق بتبادل المواد الغذائية و النفايات الأيضية21. ومع ذلك، هناك لا حجم المسام محددة التي يمكن أن تعتبر كقيمة مثالية، بعض الدراسات أظهرت بيواكتيفيتي أعلى مع مسام أصغر حجماً بينما الآخرين تبين أفضل تجديد الغضاريف مع المسام الكبيرة. ماكروبوريس (< 500 ميكرومتر) تيسير التمعدن النسيج، والإمداد بالمواد الغذائية والتخلص من النفايات في حين ميكروبوريس (150-250 ميكرومتر) تيسير مرفق خلية وأفضل الخصائص الميكانيكية،من2223. يجب أن يكون مزروع سقالة السلامة الميكانيكية كافية من الوقت للتعامل مع غرس وحتى انتهاء الغرض المنشود منه. معامل الضغط الكلي الغضروف المفصلي الطبيعي يقال في النطاق من 0.1-2 الآلام والكروب الذهنية حسب السن والجنس ومكان اختبار4،24،،من2526،27 ،،من2829.
في لدينا العمل السابقة11، استخدمت 3D الطباعة باختلاق بيوسكافولدس المسامية من كروسلينكيد مزدوجة إينتيربينيتراتينج البوليمر الشبكة (IPN) من حبر المائية التي تتضمن مركزا معززة في مصفوفة من الجينات الصوديوم والجيلاتين. مسار الطباعة 3D الأمثل لتحقيق السقالات 3D مع هياكل المسام موحدة والتدرج (80-2,125 ميكرومتر) حيث يفضل توجيه نانوكريستالس في اتجاه الطباعة (درجة التوجه بين 61-76%). وهنا، نحن هذا استمرار هذا العمل ويوضح تأثير المسامية على الخواص الميكانيكية ل 3D طباعة السقالات المائية في ظروف محاكاة الجسم. في وقت سابق أبلغ مركزا يستخدم هنا، لنا أن تكون سيتوكومباتيبلي وغير سامة (أي نمو الخلايا بعد 15 يوما حضانة كان أكد30). وعلاوة على ذلك، أعدت السقالات عن طريق التجفيف استخدام نفس مركزا، وأظهرت الجينات الصوديوم والجيلاتين المسامية عالية، وامتصاص عالية المالحة العازلة الفوسفات وسيتوكومباتيبيليتي تجاه الخلايا الجذعية الوسيطة5. والهدف من هذا العمل لإثبات تجهيز الحبر المائية والطباعة 3D من السقالات المليئة بالثغرات واختبار ضغط. ويرد في الشكل 1الخطط لتجهيز الطريق.
Protocol
Representative Results
Discussion
الطباعة ثلاثية الأبعاد تتطلب خصائص انسيابية ملائمة الحبر المائية. الحبر عالية اللزوجة سيتطلب الضغوط القصوى لقذف به حين الحبر منخفضة اللزوجة لا سوف تحافظ على شكلها بعد البثق. يمكن التحكم في لزوجة الحبر المائية من خلال تركيز المكونات. بالمقارنة مع لدينا العمل السابقة11، يتم زي?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه الدراسة يدعمه ماليا كنوت واليس والنبرغ مؤسسة (مركز العلوم الخشب والنبرغ)، “مجلس البحوث السويدية”، VR (بيويال، DNR 2016-05709 و DNR 2017-04254).
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% |
Riferimenti
- Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J., Youngblood, J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews. 40 (7), 3941-3994 (2011).
- Dufresne, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16 (6), 220-227 (2013).
- Chinga-Carrasco, G. Potential and limitations of nanocelluloses as components in biocomposite inks for three-dimensional bioprinting and for biomedical devices. Biomacromolecules. 19 (3), 701-711 (2018).
- Naseri, N., Poirier, J., Girandon, L., Fröhlich, M., Oksman, K., Mathew, A. P. 3-Dimensional porous nanocomposite scaffolds based on cellulose nanofibers for cartilage tissue engineering: tailoring of porosity and mechanical performance. Royal Society of Chemistry Advances. 6 (8), 5999-6007 (2016).
- Naseri, N., Deepa, B., Mathew, A. P., Oksman, K., Girandon, L. Nanocellulose-Based Interpenetrating Polymer Network (IPN) Hydrogels for Cartilage Applications. Biomacromolecules. 17 (11), 3714-3723 (2016).
- Naseri, N., Mathew, A. P., Girandon, L., Fröhlich, M., Oksman, K. Porous electrospun nanocomposite mats based on chitosan-cellulose nanocrystals for wound dressing: effect of surface characteristics of nanocrystals. Cellulose. 22 (1), 521-534 (2015).
- Xing, Q., Zhao, F., Chen, S., McNamara, J., DeCoster, M. A., Lvov, Y. M. Porous biocompatible three-dimensional scaffolds of cellulose microfiber/gelatin composites for cell culture. Acta Biomaterialia. 6 (6), 2132-2139 (2010).
- Nandgaonkar, A., Krause, W., Lucia, L. Fabrication of cellulosic composite scaffolds for cartilage tissue engineering. Nanocomposites for musculoskeletal tissue regeneration. , 187-212 (2016).
- Gross, B. C., Erkal, J. L., Lockwood, S. Y., Chen, C., Spence, D. M. Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences. Analytical Chemistry. 86 (7), 3240-3253 (2014).
- Markstedt, K., Mantas, A., Tournier, I., Martínez Ávila, H., Hägg, D., Gatenholm, P. 3D bioprinting human chondrocytes with nanocellulose-alginate bioink for cartilage tissue engineering applications. Biomacromolecules. 16 (5), 1489-1496 (2015).
- Sultan, S., Mathew, A. P. 3D printed scaffolds with gradient porosity based on a cellulose nanocrystal hydrogel. Nanoscale. 10, 4421-4431 (2018).
- Sultan, S., Siqueira, G., Zimmermann, T., Mathew, A. P. 3D printing of nano-cellulosic biomaterials for medical applications. Current Opinion in Biomedical Engineering. 2, 29-34 (2017).
- Sultan, S., Abdelhamid, H. N., Zou, X., Mathew, A. P. CelloMOF: Nanocellulose Enabled 3D Printing of Metal-Organic Frameworks. Advanced Functional Materials. , 1805372-1805384 (2018).
- Siqueira, G., et al. Cellulose Nanocrystal Inks for 3D Printing of Textured Cellular Architectures. Advanced Functional Materials. 27 (12), 1604619-1604629 (2017).
- Wang, J., et al. All-in-One Cellulose Nanocrystals for 3D Printing of Nanocomposite Hydrogels. Angewandte Chemie International Edition. 57 (9), 2353-2356 (2018).
- Hausmann, M. K., et al. Dynamics of Cellulose Nanocrystal Alignment during 3D Printing. ACS Nano. 12 (7), 6926-6937 (2018).
- Liu, Y., et al. Nanoscale assembly of cellulose nanocrystals during drying and redispersion. ACS Macro Letters. 7 (2), 172-177 (2018).
- Murphy, S. V., Atala, A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nature Biotechnology. 32 (8), 773-785 (2014).
- Pati, F., et al. Printing three-dimensional tissue analogues with decellularized extracellular matrix bioink. Nature communications. 5, 3935 (2014).
- Xia, Z., Jin, S., Ye, K. Tissue and organ 3D bioprinting. SLAS TECHNOLOGY: Translating Life Sciences Innovation. 23 (4), 301-314 (2018).
- Zhang, Q., Lu, H., Kawazoe, N., Chen, G. Pore size effect of collagen scaffolds on cartilage regeneration. Acta Biomaterialia. 10 (5), 2005-2013 (2014).
- Loh, Q. L., Choong, C. Three-dimensional scaffolds for tissue engineering applications: role of porosity and pore size. Tissue Engineering, Part B: Reviews. 19 (6), 485-502 (2013).
- Bružauskaitė, I., Bironaitė, D., Bagdonas, E., Bernotienė, E. Scaffolds and cells for tissue regeneration: different scaffold pore sizes-different cell effects. Cytotechnology. 68 (3), 355-369 (2016).
- Zhang, L., Hu, J., Athanasiou, K. A. The role of tissue engineering in articular cartilage repair and regeneration. Critical Reviews™ in Biomedical Engineering. 37 (1-2), (2009).
- Athanasiou, K., Rosenwasser, M., Buckwalter, J., Malinin, T., Mow, V. Interspecies comparisons of in situ intrinsic mechanical properties of distal femoral cartilage. Journal of Orthopaedic Research. 9 (3), 330-340 (1991).
- Schinagl, R. M., Gurskis, D., Chen, A. C., Sah, R. L. Depth-dependent confined compression modulus of full-thickness bovine articular cartilage. Journal of Orthopaedic Research. 15 (4), 499-506 (1997).
- Athanasiou, K., Niederauer, G., Schenck, R. Biomechanical topography of human ankle cartilage. Annals Biomedical Engineering. 23 (5), 697-704 (1995).
- Athanasiou, K. A., Liu, G. T., Lavery, L. A., Lanctot, D. R., Schenck, R. C. Biomechanical topography of human articular cartilage in the first metatarsophalangeal joint. Clinical Orthopaedics and Related Research. 348, 269-281 (1998).
- Guilak, F., Jones, W. R., Ting-Beall, H. P., Lee, G. M. The deformation behavior and mechanical properties of chondrocytes in articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 7 (1), 59-70 (1999).
- Mathew, A. P., Oksman, K., Karim, Z., Liu, P., Khan, S. A., Naseri, N. Process scale up and characterization of wood cellulose nanocrystals hydrolysed using bioethanol pilot plant. Industrial Crops and Products. 58, 212-219 (2014).
- Compton, B. G., Lewis, J. A. 3D-printing of lightweight cellular composites. Advanced Materials. 26 (34), 5930-5935 (2014).
- Sarem, M., Moztarzadeh, F., Mozafari, M. How can genipin assist gelatin/carbohydrate chitosan scaffolds to act as replacements of load-bearing soft tissues. Carbohydrate Polymers. 93 (2), 635-643 (2013).
- Chia, H. N., Hull, M. Compressive moduli of the human medial meniscus in the axial and radial directions at equilibrium and at a physiological strain rate. Journal of orthopaedic research. 26 (7), 951-956 (2008).
- Zhang, K., Fan, Y., Dunne, N., Li, X. Effect of microporosity on scaffolds for bone tissue engineering. Regenerative biomaterials. 5 (2), 115-124 (2018).
- Lin, N., Dufresne, A. Nanocellulose in biomedicine: Current status and future prospect. European Polymer Journal. 59, 302-325 (2014).
- Domingues, R. M., Gomes, M. E., Reis, R. L. The potential of cellulose nanocrystals in tissue engineering strategies. Biomacromolecules. 15 (7), 2327-2346 (2014).
