3D מודפס נקבובי תאית Nanocomposite הידרוג פיגומים
Summary
שלושת הצעדים הקריטיים של פרוטוקול זה i) מפתחים את ההרכב הנכון ונקבוביות עקביות הדיו הידרוג תאית, ii) 3D הדפסה של פיגומים לתוך שונות מבנים עם נאמנות בכושר טוב, מידות iii) הוכחת תכונות מכניות בתנאים מדומה הגוף עבור התחדשות הסחוס.
Abstract
עבודה זו מדגים את השימוש תלת מימדי (3D) הדפסה כדי לייצר פיגומים מעוקב נקבובי באמצעות תאית nanocomposite הידרוג דיו, עם מבנה בררניים, תכונות מכניות. Nanocrystals תאית (CNCs, 69.62 wt %) הידרוג מבוסס דיו עם מטריקס (alginate נתרן, ג’לטין) פותחה והודפס 3D לתוך פיגומים עם נקבוביות אחיד, צבע מבנה (110-1,100 מיקרומטר). פיגומים הראה דחיסה מודולוס בטווח של 0.20-0.45 MPa כאשר נבדק ב מדומה ויוו התנאים (מים מזוקקים ב 37 מעלות צלזיוס). גודל הנקבוביות, המודולוס דחיסה של פיגומים 3D תואם לדרישות הדרושים ליישומים התחדשות הסחוס. עבודה זו ממחישה כי מרקם של הדיו יכול להיות נשלט על ידי הריכוז של סימנים מקדימים נקבוביות יכול להיות נשלט על ידי תהליך ההדפסה התלת מימדית, שניהם גורמים אלה בתמורה מגדיר את מכניים המאפיינים של 3D מודפס נקבובי הידרוג לגרדום. ניתן להשתמש בשיטה זו תהליך ולכן כדי לבדות פיגומים מבנית, מאלכוהול מותאם אישית בהתאם לצרכים הספציפיים של חולים.
Introduction
תאית היא רב-סוכר המורכב שרשראות ליניארי של β יחידות D-גלוקוז המקושרות (1-4). הפולימר הטבעי הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ והוא מופק מגוון רחב של מקורות, כולל בעלי חיים ימיים (למשל, tunicates), צמחים (למשל, עץ, כותנה, קש חיטה) ומקורות חיידקים, כגון אצות (למשל, Valonia), פטריות, אפילו אמבה (חד-תאיים )1,2. תאית nanofibers (CNF) ו nanocrystals תאית (CNC) עם ממד אחד לפחות בננו מתקבלים באמצעות טיפולי מכני, חומצה הידרוליזה של תאית. לא רק ברשותם את המאפיינים של תאית, כגון פוטנציאל שינוי כימי, רעילות נמוכה, כימי, מתכלה, מתחדשת, אבל יש גם מאפיינים הננומטרי כמו גבוהה פנים סגולי, תכונות מכניות גבוהה , מאפייני rheological ואופטית. מאפיינים אטרקטיביים אלה הפכו CNFs ו- CNCs מתאים ליישומי ביו, בעיקר בצורה של תלת-ממדי (3D) הידרוג פיגומים3. פיגומים אלו דורשים מידות מותאמות אישית עם מבנה בררניים, נקבוביות מחובררים. הקבוצה שלנו ואחרים דיווחו על תאית נקבובי 3D nanocomposites מוכן דרך הליהוק, electrospinning, ליופיליזציה4,5,6,7,8. עם זאת, לשלוט על המבנה נקבובית, ייצור של גאומטריה מורכבת אינה מושגת באמצעות שיטות מסורתיות.
הדפסה תלת-ממדית היא טכניקת הייצור מוספים, שבהם עצמים תלת-ממדיים נוצרים שכבה על דרך בתצהיר מבוקר-מחשב של דיו9. היתרונות של הדפסת תלת-ממד על טכניקות מסורתיות כולל חופש עיצוב, מאקרו מבוקרת מיקרו מידות, ייצור של ארכיטקטורות מורכבות, התאמה אישית, הפארמצבטית. בנוסף, הדפסת תלת-ממד של CNFs ו- CNCs מציע גם הטיה-induced מערכים של חלקיקים, העדיפו כיוון, נקבוביות הדרגתיות ניתן להרחיב בקלות ל- 3D bioprinting10,11,12, 13 , 14 , 15. הדינמיקה של CNCs יישור במהלך הדפסת תלת-ממד כבר דיווח לאחרונה,16,17. ההתקדמות בתחום של bioprinting יש לאפשר לרקמות מודפס 3D ואיברים למרות האתגר מעורב כגון הבחירה וריכוז של תאים חיים, גורמי גדילה, קומפוזיציה של הדיו המוביל, הדפסה פשוטה, זרבובית קטרים18 19, ,20.
נקבוביות ואת חוזק של פיגומים משובי הסחוס הן תכונות חשובות המכתיבה את היעילות והביצועים שלו. גודל הנקבוביות ממלא תפקיד חשוב עבור אדהזיה, בידול, התפשטות של תאים כמו גם לגבי ההחלפה של חומרים מזינים, פסולת מטבולית21. אולם, אין גודל הנקבוביות מובהק זה יכול להיחשב ערך אידיאלי, כמה מחקרים הראה אתריים גבוה עם נקבוביות קטנות יותר בעוד אחרים הראו יותר התחדשות הסחוס עם נקבוביות גדולות יותר. Macropores (< 500 מיקרומטר) להקל על רקמות מינרליזציה, אספקת מזונם, פינוי פסולת, בעוד micropores (150-250 מיקרומטר) להקל על התא מצורף ותכונות מכניות יותר22,23. לגרדום מושתל חייב להיות מספיק מכנית מימי טיפול, ההשתלה, עד להשלמת מטרתו הרצויה. המודולוס compressive צבירה על הסחוס במפרק טבעי הוא דיווח כי בטווח של 0.1-2 MPa תלוי גיל, מין, מיקום שנבדקו4,24,25,26,27 28, ,29.
שלנו הקודם עבודה11, הדפסת תלת-ממד שימש כדי לפברק נקבובי bioscaffolds של תפור כפול interpenetrating רשת פולימר (IPN) מדיו הידרוג המכיל CNCs מחוזק במטריצה של alginate נתרן, ג’לטין. מסלול הדפסה 3D אופטימלי כדי להשיג פיגומים 3D עם נקבוביות אחיד, הדרגתיות מבנים (80-2,125 מיקרומטר) איפה nanocrystals אוריינט רצוי בכיוון ההדפסה (מידת התמצאות בין 61-76%). . הנה, אנו מציגים המשכיות זה לעבוד ומדגים ההשפעה של נקבוביות על התכונות המכאניות של תלת-ממד מודפס הידרוג פיגומים בתנאי גוף מדומה. CNCs היה כאן, דווחו קודם לכן על ידי אותנו להיות cytocompatible ולא רעיל (קרי, גדילת התאים לאחר 15 ימים של דגירה היה אושרו30). יתר על כן, פיגומים הכין דרך להקפיא ייבוש באמצעות את CNCs אותו, alginate נתרן, ג’לטין הראה נקבוביות גבוהה, גבוהה ספיגת של תמיסת מלח מאגר פוספט, cytocompatibility לעבר גזע mesenchymal5. מטרת עבודה זו היא להפגין עיבוד הדיו הידרוג, הדפסת תלת-ממד של פיגומים נקבובי, הבדיקה דחיסה. שרטוטים של המסלול עיבוד מוצג באיור1.
Protocol
Representative Results
Discussion
הדפסה תלת-ממדית דורש מתאימים מאפייני rheological הידרוג הדיו. הדיו צמיגות גבוהה ידרוש בלחצים קיצוניים לשחול שלה בזמן צמיגות נמוכה דיו לא ישמור על צורתו לאחר שחול. צמיגות של הדיו הידרוג יכול להיות נשלט באמצעות הריכוז של החומרים. לעומת שלנו הקודם עבודה11, התוכן מוצק של הדיו הידרוג הוא…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך כלכלית על ידי קנוט וקרן אליס ולנברג (ולנברג עץ מרכז המדע), מועצת המחקר השבדי, VR (Bioheal, להחיות 2016-05709 ולא להחיות 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).
