3D печать пористых целлюлозы нанокомпозитных гидрогеля подмости
Summary
Три критических шагов этого протокола i) разработки правильный состав и последовательность целлюлозы гидрогеля чернил, ii) 3D печать лесов в различные поры структур с хорошей форме верности и размеры и iii) демонстрация механические свойства в органом имитируемых условиях для регенерации хряща.
Abstract
Эта работа демонстрирует использование трехмерных (3D) печати для производства пористых кубических леса с использованием чернил гидрогеля нанокомпозитных целлюлозы, с контролируемой поровой структуры и механических свойств. Нанокристаллов целлюлозы (зато, 69.62 wt %) чернила на основе гидрогеля с матрицей (альгинат натрия и желатин) была разработана и 3D напечатаны на подмости с единой и градиентные поровой структуры (110-1100 мкм). Подмости показан модуль сжатия в пределах 0,20-0,45 МПа при испытании в моделируется в естественных условиях условий (в дистиллированной воде при 37 ° C). Размер поры и сжатия модуль 3D подмостей, совпадают с требованиями, необходимые для приложений регенерации хряща. Эта работа показывает, что однородность чернил может управляться концентрация прекурсоров и пористость может управляться процесс 3D печати и оба этих фактора в свою очередь определяет механические свойства 3D печати пористые Гидрогель эшафот. Таким образом, этот процесс метод может использоваться для изготовления структурно и композиционно заказной леса согласно конкретным потребностям пациентов.
Introduction
Целлюлозы – это полисахарид, состоящий из линейной цепи β единиц связанного D-глюкоза (1-4). Это наиболее распространенных природных полимеров на земле и добывается из целого ряда источников, включая морских животных (например, оболочники), растений (например, дерево, хлопок, солома) и бактериального происхождения, например водорослей (например, Валония), грибов и даже амебы (простейшие )1,2. Нановолокна целлюлозы (ГОК) и нанокристаллов (CNC) целлюлозы с по крайней мере одно измерение на наноуровне получаются путем механической обработки и кислотного гидролиза из целлюлозы. Они не только обладают свойствами целлюлозы, как потенциал для химической модификации, низкой токсичности, биосовместимость, биологически и возобновляемых, но он также имеет наноразмерных характеристик как высокой удельной площади поверхности, высокие механические свойства , реологических и оптические свойства. Эти привлекательные свойства сделали CNFs и зато подходит для биомедицинских приложений, главным образом в виде трехмерной (3D) гидрогеля помостами3. Эти строительные леса требуют индивидуальные размеры с контролируемой пористую структуру и взаимосвязанных пористость. Наша группа и другие сообщили 3D пористых целлюлозы нанокомпозитов, подготовленные путем литья, electrospinning и паром для лиофильной сушки4,5,6,,78. Однако, контроль на пористую структуру и изготовление сложной геометрии не достигается за счет этих традиционных методов.
3D печать — это метод аддитивного производства, в котором 3D объекты создаются слой за слоем через управляемый компьютером осаждения чернила9. Преимущества 3D печати через традиционные техники включает в себя свободу дизайна, контролируемые макро и микро размеров, изготовление сложных архитектур, настройки и воспроизводимость. Кроме того 3D печать CNFs и зато также предлагает сдвига индуцированной рядов наночастиц, предпочитали направленность, градиент пористости и может быть легко расширен для 3D подложке10,11,12, 13 , 14 , 15. Недавно, динамика зато был выравнивания во время 3D печать сообщила16,17. Достижения в области подложке должны включить 3D печатных тканей и органов, несмотря на участие вызов как выбор и концентрация живых клеток и факторов роста, состав чернил перевозчика, печать давления и диаметры сопла18 ,19,20.
Пористость и прочность хряща регенеративные подмостей являются важными свойствами, которые диктует его эффективности и производительности. Размер пор играет важную роль для адгезии, дифференциации и пролиферации клеток, а также для обмена питательных веществ и метаболические отходы21. Однако существует нет определенной поры, который можно рассматривать как идеальное значение, некоторые исследования показали выше отпорности с меньше поры, в то время как другие показали лучше регенерации хряща с большие поры. Macropores (< 500 мкм) облегчить минерализации тканей, снабжения питательными веществами и удаления отходов, а микропоры (150-250 мкм) облегчает клеток привязанность и лучше механических свойств22,23. Имплантированные леса должны иметь достаточную механическую целостность от времени обработки, имплантации и до завершения ее желаемой цели. Совокупный Модуль сжатия для естественных суставного хряща, как сообщается, находится в диапазоне 0,1-2 МПа в зависимости от возраста, пола и проверяемом месте4,24,25,26,27 ,,2829.
В нашей предыдущей работы113D печать был использован для изготовления пористые bioscaffolds двойной высокоструктурированные взаимопроникающих полимерных сети (IPN) из гидрогеля чернил, содержащего усиленные зато в матрице альгината натрия и желатина. 3D печать путь был оптимизирован для достижения 3D подмости с единой и градиентные поровой структуры (80-2125 мкм) где нанокристаллов предпочтительно ориентироваться в направление печати (степень ориентации между 61-76%). Здесь, мы представляем продолжение этой работы и демонстрирует, что влияние пористости на механические свойства 3D печати гидрогеля леса в органом имитируемых условиях. Зато, используемый здесь, ранее сообщили нам быть cytocompatible и нетоксичен (т.е. рост клеток после 15 дней инкубации было подтверждено30). Кроме того леса подготовлен через Плаурайта же зато, альгинат натрия и желатин показали высокую пористость, высокое поглощение фосфатный буфер и cytocompatibility сторону мезенхимальных стволовых клеток5. Цель этой работы заключается в демонстрации обработки чернила гидрогеля, 3D печать пористых строительных лесов и сжатия. Схемы обработки маршрут показан на рисунке 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D печать требует подходящей реологических свойств чернил гидрогеля. Высокая вязкость краски потребует экстремальные давления для его экструзии при низкой вязкости краски не будет поддерживать свою форму после экструзии. Вязкости краски, гидрогеля может управляться через концентрац?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование финансируется Alice Валленберга фонда (Валленберга древесины научный центр), Шведский исследовательский совет, VR (Bioheal, DNR 2016-05709 и DNR 2017-04254) и кнут.
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).
