3 D プリントされた多孔性セルロース ナノコンポジット型ヒドロゲル足場
Summary
このプロトコルの 3 つの重要なステップは、i) 開発右の組成と細孔構造と忠実度良い形と寸法、iii) のデモとセルロースのヒドロゲル インク、ii) 3 D に様々 な足場の印刷の一貫性、軟骨再生のための擬似生体条件の機械的性質は。
Abstract
この作品では、立方多孔質セルロース ナノコンポジット型ヒドロゲル インクを用いたコントロールされた細孔構造と力学特性を生成する三次元 (3 D) 印刷の使用方法を示します。セルロース微結晶 (Cnc、69.62 wt %)(アルギン酸ナトリウム ・ ゼラチン) に基づいてゲル インクが開発した、制服とグラデーションの細孔構造 (110 1,100 μ m) の足場に 3 D 印刷します。足場を示した圧縮弾性率 0.20 0.45 の範囲で MPa でテストしたときは (37 ° C で蒸留水) の生体内での条件をシミュレートします。細孔径と軟骨再生アプリケーションの要件と一致する 3 D 足場の圧縮弾性率。この作品は、インクの一貫性は、前駆体の濃度によって制御できますと気孔率は、3 D 印刷プロセスによって制御でき、これらの要因の両方は見返り機械を定義を示しますプロパティ 3 d 印刷多孔質ハイドロゲルの足場。このプロセスのメソッドは、患者の特定のニーズに応じてカスタマイズ構造と組成の足場を作製するため使用できます。
Introduction
セルロースは β の鎖 (1-4) リンクされた D-グルコース単位で構成される多糖類です。地球上最も豊富な天然高分子であり、さまざまな海洋動物 (例えば、アステラス製薬)、植物 (例えば、木材、綿、小麦わら) もアメーバ (原生動物、菌類、藻類 (例えば、Valonia) などの細菌のソースなど、ソースから抽出されました。)1,2。ナノファイバー (CNF) とナノスケールの少なくとも 1 つのディメンションを持つセルロース結晶 (CNC) は機械処置・ セルロースからの酸加水分解で得られます。彼らはセルロース化学修飾、低毒性、生体適合性、生分解性、再生可能エネルギーの可能性などの性質を有するだけでなく、高表面積のようなナノスケール特性もあります高い機械的性質、レオロジー的・光学的性質。これらの魅力的な特性をした Cnf と Cnc 生物医学アプリケーションに適した、3 次元 (3 D) の形で主にゲル骨格の3。これらの足場は、コントロールされた細孔構造と相互接続された間隙率とカスタマイズされた寸法を必要とします。当社グループは、他の人は、鋳造、エレクトロスピニング4,5,6,7、8を凍結して作製した三次元多孔性セルロース ナノコンポジットを報告しています。ただし、細孔構造の制御し、複雑な形状の加工は、これらの伝統的な技術によって達成されていません。
3 D プリントは、3 D オブジェクトをインク9コンピューター制御蒸着層を作成、添加剤の製造技術です。伝統的なテクニック 3 D 印刷の利点は、デザインの自由度制御マクロとマイクロの寸法、複雑なアーキテクチャ、カスタマイズ、および再現性の作製に含まれます。 さらに、CNFs と Cnc の 3 D プリントも提供ナノ粒子のせん断誘起配向方向、勾配の気孔率を優先し、3 D バイオプリンティング10、11,12,に簡単に拡張することができます。13,14,15. 最近では、3 D プリントの中に配置されている Cnc の動態報告16,17。3 D 印刷ティッシュおよび器官選択やキャリア インク、印刷圧力とノズル径18 の構成細胞と成長因子の濃度関係の挑戦にもかかわらず、バイオプリンティングの分野の進歩が可能に ,,1920。
気孔率および軟骨再生の足場の強度は、その効率性とパフォーマンスを規定する重要なプロパティです。孔径は、接着、分化、栄養素、代謝廃棄物21の交換と同様に細胞の増殖に重要な役割を果たしています。ただし、理想的な値と見なすことができる明確な細孔径がない、孔径が大きいとより良い軟骨再生を示した他のいくつかの小さな孔を示した高い活性研究します。隙 (< 500 μ m) 孔 (150-250 μ m) を促進細胞接着・優れた機械的性質22,23組織の石灰化、栄養供給、廃棄物の除去を容易にします。注入の足場は、処理時間から十分な力学的整合性を持つ必要があります注入とその目的の目的の完了まで。0.1-2 の範囲にある関節軟骨の天然骨材の圧縮弾性率は報告によって年齢、性別およびテスト位置4,24,25,26,27 MPa ,,2829。
私たち以前仕事で11、3 D プリントはアルギン酸ナトリウムとゼラチンのマトリックスの補強の Cnc を含むゲル インクから二重架橋高分子ネットワーク (IPN) を相互貫入の多孔性 bioscaffolds の作製に使用されました。3 D 印刷経路に制服とグラデーションの細孔構造 (2,125 80 μ m) ナノ結晶が印刷方向 (61-76% 間向きの程度) に好ましく向きの 3 D 足場を達成するために最適化されました。ここでは、我々 は現在この継続作業し、3 D の機械的特性に及ぼす気孔率印刷ハイドロゲルの足場模擬体の状態を示します。ここでは、Cnc は私たちによって cytocompatible と非毒性 (すなわち、細胞増殖確認30インキュベーションの 15 日後) に以前報告されました。また、足場凍結乾燥使用同じ Cnc アルギン酸ナトリウム、ゼラチンを示した高気孔率、高吸収リン酸バッファー生理食塩水と5間葉系幹細胞への細胞の準備。この作業の目的は、ハイドロゲル インク処理、多孔質材料の 3 D 印刷、圧縮テストを示すことです。処理経路の模式図を図 1に示します。
Protocol
Representative Results
Discussion
3 D 印刷では、ハイドロゲル インクのレオロジー特性を適切な必要があります。高粘度インクは、低粘度インクが押出成形後の形状を保持していない間の押し出しの極端な圧力を必要があります。ハイドロゲル インキの粘度は、成分の濃度を制御できます。私たち以前作業11に比べてハイドロゲル インクの固形分は 9.9 wt % 濃縮ゲル インク印刷の足場の解像度を改善するの?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究は、クヌート ・ アリス バレンベリー財団 (バレンベリー木材科学センター)、スウェーデン研究評議会、VR (Bioheal、DNR 2016-05709 と DNR 2017-04254) によって財政上支えられます。
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
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