3D stampato cellulosa porosa dell'idrogelo Nanocomposite ponteggi
Summary
I tre passaggi critici del presente protocollo sono i) sviluppare la giusta composizione e consistenza dell’inchiostro cellulosa idrogel, ii) stampa di ponteggi in vari 3D poro strutture con fedeltà di buona forma e dimensioni e iii) dimostrazione della Proprietà meccaniche in condizioni simulate di corpo per la rigenerazione della cartilagine.
Abstract
Questo lavoro viene illustrato l’utilizzo della stampa tridimensionale (3D) per produrre porosi ponteggi cubi utilizzando inchiostro di idrogel di cellulosa nanocompositi, con struttura di poro controllata e proprietà meccaniche. Nanocristalli di cellulosa (CNCs, 69,62 wt %) inchiostro base idrogel con matrice (alginato di sodio e gelatina) è stato sviluppato e 3D stampato in impalcature con struttura uniforme e gradienti poro (110-1.100 µm). I ponteggi ha mostrato modulo di compressione nella gamma di 0.20-0.45 MPa quando testati simulato condizioni in vivo (in acqua distillata a 37 ° C). Le dimensioni dei pori e il modulo di compressione di impalcature 3D abbinato con i requisiti necessari per le applicazioni di rigenerazione della cartilagine. Questo lavoro dimostra la coerenza dell’inchiostro può essere controllata dalla concentrazione dei precursori e porosità può essere controllato tramite il processo di stampa 3D che entrambi questi fattori definisce in cambio meccanico proprietà del 3D stampato poroso impalcatura di idrogel. Questo metodo processo può pertanto essere utilizzato per fabbricare ponteggi strutturalmente e compositivamente su misura secondo le esigenze specifiche dei pazienti.
Introduction
La cellulosa è un polisaccaride costituito da catene lineari di β (1-4) unità di D-glucosio collegati. È il polimero naturale più abbondante sulla terra ed è estratta da una varietà di fonti, tra cui animali marini (ad es., tunicati), piante (ad esempio, legno, cotone, paglia di grano) e fonti batteriche, come anche ameba (protozoi, funghi e alghe (ad es., Vallonea) )1,2. Nanofibre di cellulosa (CNF) e cellulosa nanocristalli (CNC) con almeno una dimensione su scala nanometrica sono ottenuti mediante idrolisi acida da cellulosa e trattamenti meccanici. Essi non solo possiede le proprietà di cellulosa, come ad esempio potenziale modificazione chimica, bassa tossicità, biocompatibilità, biodegradabile e rinnovabile, ma ha anche caratteristiche su scala nanometrica come elevata superficie specifica, elevate proprietà meccaniche , proprietà reologiche e ottiche. Queste proprietà attraente hanno fatto CNFs e CNCs adatto per applicazioni biomediche, principalmente sotto forma di 3-dimensionale (3D) idrogel ponteggi3. Queste impalcature richiedono dimensioni su misura con struttura di poro controllata e porosità interconnesse. Il nostro gruppo e altri hanno riportato 3D cellulosa porosa nanocompositi preparati attraverso casting, elettrofilatura e liofilizzazione4,5,6,7,8. Tuttavia, controllare la struttura dei pori e la fabbricazione di geometria complessa non avviene attraverso queste tecniche tradizionali.
La stampa 3D è una tecnica di produzione additiva, in cui vengono creati oggetti 3D a strati attraverso la deposizione di inchiostro9controllati dal computer. I vantaggi della stampa 3D rispetto alle tecniche tradizionali include la libertà di progettazione, controllata macro e micro dimensioni, realizzazione di architetture complesse, la personalizzazione e la riproducibilità. Inoltre, la stampa 3D di CNFs e CNCs offre anche indotta da taglio allineamenti delle nanoparticelle, preferito direzionalità, gradiente porosità e può essere facilmente esteso al 3D multimateriali10,11,12, 13 , 14 , 15. recentemente, la dinamica di CNC allineamento durante la stampa 3D è stato riferito che16,17. Gli avanzamenti nel campo della multimateriali hanno attivare 3D stampati tessuti e organi nonostante la sfida coinvolto come scelta e la concentrazione di cellule viventi e fattori di crescita, composizione dell’inchiostro vettore, stampa di pressioni e diametri ugello18 ,19,20.
La porosità e la resistenza alla compressione di ponteggi rigenerativa della cartilagine sono proprietà importanti che determina la sua efficienza e prestazioni. Dimensione dei pori svolge un ruolo importante per l’adesione, la differenziazione e la proliferazione delle cellule come pure per quanto riguarda lo scambio di sostanze nutritive e rifiuti metabolici21. Tuttavia, non esiste una dimensione definita poro che può essere considerata come un valore ideale, alcuni studi hanno mostrato maggiore bioattività con pori più piccoli, mentre altri hanno mostrato migliore rigenerazione della cartilagine con pori più grandi. Macropori (< 500 µm) facilitare la mineralizzazione del tessuto, apporto di sostanze nutritive e rimozione dei rifiuti mentre micropori (150-250 µm) facilitano l'adesione delle cellule e migliori proprietà meccaniche22,23. L’impalcatura impiantato dovrà avere sufficiente integrità meccanica dal momento della manipolazione, l’impianto e fino al completamento dello scopo desiderato. Il modulo di compressione aggregato per naturale della cartilagine articolare è segnalato per essere nella gamma di 0.1-2 MPa a seconda di età, sesso e posizione valutata4,24,25,26,27 ,28,29.
Nel nostro precedente lavoro11, stampa 3D è stata utilizzata per fabbricare poroso bioscaffolds di un doppio reticolato compenetrante reticolo polimerico (IPN) da un inchiostro di idrogel contenenti CNCs rinforzato in una matrice di gelatina e di alginato di sodio. Via della stampa 3D è stata ottimizzata per ottenere scaffold 3D con strutture di poro uniforme e sfumatura (80-2.125 µm) dove nanocristalli orientano preferibilmente in direzione stampa (grado di orientamento tra 61-76%). Qui, vi presentiamo la continuazione di questo lavoro e viene illustrato l’effetto della porosità sulle proprietà meccaniche del 3D stampato idrogel impalcature in condizioni simulate di corpo. CNC usata qui, sono stati in precedenza riferito da noi di essere citocompatibili e non tossico (cioè, crescita cellulare dopo 15 giorni di incubazione è stato confermato30). Inoltre, la impalcature preparato tramite liofilizzazione utilizzando lo stesso CNCs, alginato di sodio e gelatina hanno mostrato elevata porosità, alto assorbimento di soluzione salina tampone fosfato e citocompatibilità verso cellule staminali mesenchimali5. L’obiettivo di questo lavoro è quello di dimostrare l’elaborazione di inchiostro di idrogel, stampa 3D di scaffold porosi e le prove di compressione. Schemi del percorso di elaborazione è illustrato nella Figura 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stampa 3D richiede adatto proprietà reologiche dell’idrogel inchiostro. L’inchiostro di alta viscosità richiede pressioni estreme per sua estrusione mentre inchiostro bassa viscosità non manterrà la sua forma dopo l’estrusione. La viscosità dell’inchiostro idrogel può essere controllata attraverso la concentrazione degli ingredienti. Rispetto al nostro precedente lavoro11, il contenuto di solidi dell’inchiostro idrogel è aumentato da 5.4 a 9,9% wt conseguente inchiostro concentrato idrogel …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto finanziariamente da Knut e Alice Wallenberg Foundation (Wallenberg legno Science Center), Consiglio di ricerca svedese, 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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