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.
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.
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 trekkers4,5,,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 bioprinting10,11,12, 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 diameters18 ,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 eigenschappen22,23 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 locatie4,24,25,26,27 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.
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…
The authors have nothing to disclose.
Deze studie wordt financieel gesteund door Knut en Alice Wallenberg Foundation (Wallenberg hout Science Center), Zweedse Raad voor onderzoek, VR (DNR 2016-05709, Bioheal en DNR 2017-04254).
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% |