3D-Druck poröse Zellulose Nanocomposites Hydrogel Gerüste
Summary
Die drei kritischen Schritte dieses Protokolls i) entwickeln die richtige Zusammensetzung und Konsistenz der Zellulose Hydrogel Tinte, Ii) 3D Drucken von Gerüsten in verschiedenen Strukturen mit guter Form Treue und Dimensionen und (Iii) Demonstration der pore der mechanische Eigenschaften im simulierten Körper Bedingungen für die Knorpelregeneration.
Abstract
Diese Arbeit zeigt den Einsatz von dreidimensionalen (3D) Druck, poröse kubische Gerüste mit Zellulose Nanocomposites Hydrogel Tinte mit kontrollierten Porenstruktur und mechanischen Eigenschaften zu produzieren. Zellulose-Nanokristalle (CNCs, 69,62 Gew.-%) auf der Grundlage Hydrogel Tinte mit Matrix (Natriumalginat und Gelatine) entstand und 3D-Druck in Gerüste mit einheitlichen und gradient Porenstruktur (110-1.100 µm). Die Gerüste zeigte Kompression Modul im Bereich von 0,20-0,45 MPa bei simuliert in vivo Bedingungen (in destilliertem Wasser bei 37 ° C). Die Porengrößen und der Kompression-Modul von der 3D Gerüste, abgestimmt mit den Anforderungen für Knorpel Regeneration Anwendungen benötigt. Diese Arbeit zeigt, dass die Konsistenz der Farbe, durch die Konzentration der Ausgangsstoffe gesteuert werden und Porosität im 3D Druckverfahren gesteuert werden und beide Faktoren definiert im Gegenzug die mechanischen Eigenschaften der 3D gedruckt porös Hydrogel-Gerüst. Dieser Prozessmethode kann daher verwendet werden, strukturell und kompositorisch angepasste Gerüste entsprechend den spezifischen Bedürfnissen der Patienten herzustellen.
Introduction
Cellulose ist ein Polysaccharid, bestehend aus linearen Ketten von β (1-4) verknüpften D-Glucose-Einheiten. Es wird ist das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer auf der Erde und aus einer Vielzahl von Quellen, einschließlich Meerestiere (z. B. Manteltiere), Pflanzen (z. B. Holz, Baumwolle, Weizenstroh) und bakteriellen Quellen wie Algen (z. B. Valonia), Pilze und sogar Amöben (Protozoen )1,2. Cellulose-Nanofasern (CNF) und Cellulose Nanokristallen (CNC) mit mindestens einer Dimension auf nanoskaligen werden durch mechanische Behandlungen und saure Hydrolyse von Zellulose gewonnen. Sie verfügen nicht nur über die Eigenschaften von Zellulose, wie Potenzial für chemische Modifikation, geringe Toxizität, Biokompatibilität, biologisch abbaubar und erneuerbare, aber es hat auch Nanoscale Eigenschaften wie hoher spezifischer Oberfläche, hohe mechanische Eigenschaften , rheologische und optischen Eigenschaften. Diese attraktiven Eigenschaften haben CNFs und CNC-Maschinen für biomedizinische Anwendungen geeignet, vor allem in Form von 3-dimensionalen (3D) Gerüste Hydrogel3. Diese Gerüste benötigen kundenspezifische Abmessungen mit kontrollierten Porenstruktur und vernetzten Porosität. Unsere Fraktion und andere berichtet 3D poröse Zellulose Nanokomposite vorbereitet durch Gießen, Elektrospinnen und Gefriertrocknung4,5,6,7,8. Jedoch Steuern auf die Porenstruktur und Fertigung komplexer Geometrie wird nicht durch diese traditionellen Techniken erreicht.
3D-Druck ist eine additive Fertigungstechnik, 3D Objekte in der Schicht für Schicht durch die computergesteuerte Ablagerung von Tinte9erstellt werden. Die Vorteile des 3D-Drucks über traditionelle Techniken beinhaltet Gestaltungsfreiheit, kontrollierte Makro und Mikrodimensionen, Herstellung von komplexen Architekturen, Anpassung und Reproduzierbarkeit. Darüber hinaus bietet 3D Druck von CNFs und CNC-Maschinen auch Scheren-induzierte Ausrichtungen von Nanopartikeln, bevorzugt Direktionalität, gradient Porosität und leicht erweiterbar bis 3D Bioprinting10,11,12, 13 , 14 , 15. die Dynamik der CNCs Ausrichtung während des 3D Druckens wurde berichtete kürzlich,16,17. Fortschritte auf dem Gebiet der Bioprinting haben ermöglichen 3D gedruckten Geweben und Organen trotz der beteiligten Herausforderung wie Auswahl und Konzentration von lebenden Zellen und Wachstumsfaktoren, Zusammensetzung der Träger Tinte, drucken, Druck und Düse Durchmesser18 ,19,20.
Die Porosität und Druckfestigkeit des Knorpels regenerative Gerüste sind wichtige Eigenschaften, die die Effizienz und Leistung bestimmt. Porengröße spielt eine wichtige Rolle für die Adhäsion, Differenzierung und Proliferation von Zellen sowie für den Austausch von Nährstoffen und metabolische Abfall21. Allerdings gibt es keine definitive Porengröße, die als einen ideellen Wert betrachtet werden kann, einige Studien zeigten höhere Bioaktivität mit kleineren Poren, während andere besser Knorpelregeneration mit größeren Poren zeigte. Makroporen (< 500 µm) Gewebe Mineralisierung, Nährstoffversorgung und Abfallentsorgung zu erleichtern, während die Mikroporen (150-250 µm) Zellhaftung und bessere mechanische Eigenschaften22,23erleichtern. Die implantierte Gerüst müssen ausreichende mechanische Integrität aus der Zeit der Behandlung, Implantation und bis zur Fertigstellung ihres gewünschten Zweckes. Das aggregierte zusammenpressende Modul für natürliche Gelenkknorpel wird berichtet, dass im Bereich von 0,1-2 MPa abhängig von Alter, Geschlecht und getesteten Standort4,24,25,26,27 ,28,29.
In unserer bisherigen Arbeit113D-Druck diente fabrizieren porösen Bioscaffolds eine doppelte querverbunden durchdringen Polymernetz (IPN) aus einem Hydrogel-Tinte mit verstärkten CNCs in einer Matrix von Natriumalginat und Gelatine. Der 3D Druck Weg wurde optimiert, um 3D Gerüste mit einheitlichen und gradient Porenstrukturen (80-2.125 µm) zu erreichen, wo die Nanokristalle vorzugsweise in Druckrichtung (Grad der Ausrichtung zwischen 61-76 %) orientieren. Hier präsentieren wir die Fortsetzung dieser Arbeiten und zeigt, dass die Wirkung der Porosität auf die mechanischen Eigenschaften von 3D Hydrogel Gerüste in simulierten Körper Bedingungen gedruckt. CNC-Maschinen verwendet, hier wurden früher von uns zu Cytocompatible und ungiftig (d. h. Zellwachstum nach 15 Tagen Inkubation war bestätigte30) gemeldet. Darüber hinaus bereitete Gerüste mittels Gefriertrocknung die gleichen CNCs Natriumalginat und Gelatine zeigte hohe Porosität, hohe Aufnahme von Phosphat Puffer Kochsalzlösung und Cytocompatibility in Richtung mesenchymalen Stammzellen5. Das Ziel dieser Arbeit ist die Hydrogel-Tinte-Verarbeitung, 3D-Druck poröse Gerüste und die Kompression Prüfung nachweisen. Schaltpläne der Verarbeitung Route ist in Abbildung 1dargestellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D Druck erfordert geeignete rheologische Eigenschaften der Tinte Hydrogel. Die hohe Viskosität Tinte wird extreme Belastungen für die Extrusion erfordern, während niedrige Viskosität Tinte nicht seine Form nach Extrusion zu halten. Die Viskosität der Druckfarbe Hydrogel kann durch die Konzentration der Inhaltsstoffe gesteuert werden. Im Vergleich zu unserer bisherigen Arbeit11ist der Feststoffgehalt der Hydrogel Tinte stieg von 5,4 auf 9,9 Gew.-% wodurch konzentrierte Hydrogel-Tinte, die hil…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie ist von Knut und Alice Wallenberg-Stiftung (Wallenberg Holz Science Center), schwedischer Forschungsrat, VR (Bioheal, DNR 2016-05709 und DNR 2017-04254) finanziell unterstützt.
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).
