3D impresso celulose porosa nanocompósitos Hydrogel andaimes
Summary
Os três passos críticos do presente protocolo i) desenvolvem-se a composição certa e consistência da tinta celulose hidrogel, ii) 3D impressão de andaimes em vário pore estruturas com fidelidade de boa forma e dimensões e iii) demonstração do Propriedades mecânicas em condições de corpo simulado para a regeneração da cartilagem.
Abstract
Este trabalho demonstra o uso da impressão (3D) tridimensional para produzir porosas andaimes cúbicos usando tinta de hidrogel de nanocompósitos celulose, com estrutura de poro controlado e propriedades mecânicas. Nanocristais de celulose (CNCs, 69,62% em peso) tinta com base de hidrogel com matriz (alginato de sódio e gelatina) foi desenvolvida e 3D impresso em andaimes, com estrutura de poros uniforme e gradiente (1.100-110 µm). Os andaimes mostraram módulo de compressão na faixa de 0,20-0.45 MPa quando testado em simulado condições in vivo (em água destilada a 37 ° C). O tamanho dos poros e o módulo de compressão de plataformas 3D combinado com os requisitos necessários para aplicações de regeneração de cartilagem. Este trabalho demonstra que a consistência da tinta pode ser controlada pela concentração dos precursores e porosidade pode ser controlada pelo processo de impressão 3D e ambos esses fatores em troca define o mecânico Propriedades da 3D impresso porosa andaime de hidrogel. Este método de processo, portanto, pode ser usado para fabricar andaimes estruturalmente e em termos de composição personalizados de acordo com as necessidades específicas dos pacientes.
Introduction
A celulose é um polissacarídeo que consiste de cadeias lineares de β (1-4) unidades de D-glicose ligadas. É o polímero natural mais abundante na terra e é extraído de uma variedade de fontes, incluindo fontes bacterianas, como até mesmo ameba (protozoários, fungos e algas (por exemplo, Valonia), plantas (por exemplo, madeira, algodão, palha de trigo) e animais marinhos (por exemplo, tunicados) )1,2. Nanofibras de celulose (CNF) e nanocristais de celulose (CNC) ao menos uma dimensão na escala nanométrica são obtidos através de tratamentos mecânicos e hidrólise ácida de celulose. Eles não só possuam as propriedades de celulose, tais como potencial de modificação química, baixa toxicidade, biocompatibilidade, biodegradável e renovável, mas também tem características de nanoescala como alta área de superfície específica, altas propriedades mecânicas , propriedades reológicas e ópticas. Essas propriedades atraentes fizeram CNFs e CNCs apropriado para aplicações biomédicas, principalmente sob a forma de 3-dimensional (3D) hidrogel moldes3. Estes andaimes requerem dimensões personalizadas com porosidade controlada estrutura e porosidade interligada. O nosso grupo e outros relataram 3D celulose porosa nanocompósitos preparados através de fundição, eletrofiação e liofilização4,5,6,7,8. No entanto, o controle sobre a estrutura dos poros e fabricação de geometria complexa não é alcançada através destas técnicas tradicionais.
Impressão 3D é uma técnica de fabricação aditiva, na qual os objetos 3D são criados camada por camada através da deposição controlada por computador do tinta9. As vantagens da impressão 3D sobre técnicas tradicionais inclui liberdade de design, controlada de macro e micro dimensões, fabricação de arquiteturas complexas, personalização e reprodutibilidade. Além disso, a impressão 3D da CNFs e CNCs também oferece alinhamentos induzida por cisalhamento de nanopartículas, preferiu a direcionalidade, gradiente porosidade e pode ser facilmente estendida para 3D bioprinting10,11,12, 13 , 14 , 15. a dinâmica do CNCs alinhamento durante a impressão 3D tem sido relatado recentemente,16,17. Avanços no campo da bioprinting ter habilitar 3D impressos tecidos e órgãos apesar do desafio envolvido como escolha e concentração de células vivas e fatores de crescimento, composição da transportadora impressão de tinta, pressões e diâmetros do bocal18 ,19,20.
A porosidade e a resistência à compressão de andaimes regenerativa de cartilagem são propriedades importantes que dita a sua eficiência e desempenho. Tamanho do pore desempenha um papel importante para a adesão, diferenciação e proliferação das células, bem como para a troca de nutrientes e resíduos metabólicos21. No entanto, não há nenhum tamanho de poro definitiva que pode ser considerado como um valor ideal, alguns estudos mostraram maior Bioatividade com poros menores enquanto outros mostraram melhor regeneração de cartilagem com poros maiores. Macroporos (< 500 µm) facilitar a mineralização do tecido, fornecimento de nutrientes e remoção de resíduos, enquanto os microporos (150-250 µm) facilitam a fixação da célula e melhores propriedades mecânicas22,23. O andaime implantado deve ter suficiente integridade mecânica do tempo de manipulação, implantação e até a conclusão de sua finalidade pretendida. O módulo agregado à compressão para cartilagem articular natural é relatado para estar na faixa de 0,1-2 MPa, dependendo da idade, sexo e local testado4,24,25,26,27 ,28,29.
Em nosso trabalho anterior11, impressão em 3D foi usada para fabricar bioscaffolds poroso de uma dupla ligação cruzada interpenetração polímeros (IPN) de uma tinta de hidrogel contendo CNCs reforçados em uma matriz de alginato de sódio e gelatina. O caminho de impressão 3D foi otimizado para alcançar andaimes 3D com estruturas de poro uniforme e gradiente (80-2.125 µm) onde nanocristais de preferência orientam na direção da impressão (grau de orientação entre 61-76%). Aqui, nós apresentamos a continuação deste trabalho e demonstra o efeito da porosidade sobre as propriedades mecânicas do 3D impresso hidrogel andaimes em condições de corpo simulado. CNCs usados aqui, anteriormente foram relatados por nós para ser cytocompatible e non-toxic (i.e., crescimento celular após 15 dias de incubação foi confirmada30). Além disso, andaimes preparado através de liofilização usar o mesmo CNCs, alginato de sódio e gelatina mostraram alta porosidade, alta absorção de solução salina tampão de fosfato e cytocompatibility em direção a células-tronco mesenquimais5. O objetivo deste trabalho é demonstrar o processamento de tinta de hidrogel, impressão 3D de andaimes porosos e o teste de compressão. Esquemas da rota de processamento é mostrado na Figura 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Impressão 3D requer Propriedades reológicas adequadas da tinta hidrogel. A tinta de alta viscosidade exigirá pressões extremas para sua extrusão enquanto tinta de baixa viscosidade não manterá sua forma após a extrusão. A viscosidade da tinta hidrogel pode ser controlada através da concentração dos ingredientes. Em comparação com o nosso trabalho anterior11, o teor de sólidos da tinta hidrogel é aumentou de 5,4 para 9,9% em peso resultando em hidrogel concentrada a tinta que ajuda …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudo é suportado financeiramente por Knut e Alice Wallenberg Foundation (centro de ciência de Wallenberg em madeira), Conselho de pesquisas sueco, VR (Bioheal, 05709-DNR 2016 e 2017 DNR-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% |
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