3D gözenekli selüloz Nanocomposite hidrojel iskele baskılı
Summary
Bu protokol üç kritik adım gelişmekte olan i) doğru kompozisyon ve 3D II) İskele çeşitli yazdırma selüloz hidrojel mürekkep tutarlılığını gözenek yapıları durumu iyi sadakat ve boyutları ve III) gösterimi ile kıkırdak rejenerasyon için benzetimli vücut koşullarda mekanik özellikleri.
Abstract
Bu eser gözenekli kübik iskele selüloz nanocomposite hidrojel mürekkep, kontrollü gözenek yapısı ve mekanik özellikleri kullanarak üretmek için üç boyutlu (3D) baskı kullanımı gösterilmiştir. Selüloz nanocrystals (CNCs, 69.62 wt %) matris (sodyum aljinat ve jelatin) tabanlı hidrojel mürekkeple geliştirilmiştir ve İskele düzgün ve degrade gözenek yapısı (110-1100 µm) ile içine 3D yazdırılır. İskele gösterdi sıkıştırma modülü 0,20-0.45 aralığında test zaman MPa (37 ° C’de distile suda) içinde vivo koşulları simüle. Gözenek boyutları ve kıkırdak rejenerasyon uygulamalar için gereken gereksinimleri ile uyumlu 3D iskele sıkıştırma modülü. Bu eser mürekkep tutarlılığını öncüleri konsantrasyon tarafından kontrol edilebilir ve porozite 3D yazdırma işlemi tarafından kontrol edilebilir ve bu faktörlerin her ikisi de karşılığında mekanik tanımlar gösterir 3D özellikleri yazdırılan gözenekli hidrojel iskele. Bu işlem yöntemi bu nedenle hastalar belirli ihtiyaçlarına göre yapısal olarak ve bileşimsel özelleştirilmiş iskele imal için kullanılabilir.
Introduction
Selüloz (1-4) bağlantılı D-glikoz birimleri β doğrusal zincirine oluşan bir polisakkarit olan. Bu dünyadaki en bol doğal polimer ve kaynakları, deniz hayvanları (örneğin, tunicates), bitkiler (örneğin, ahşap, pamuk, buğday samanı) ve yosun (örneğin, Valonia), mantar ve hatta amip (protozoa gibi bakteriyel kaynakları da dahil olmak üzere çeşitli elde edilir )1,2. Selüloz nanofibers (CNF) ve selüloz nanocrystals (CNC) Nano üzerinde en az bir boyut mekanik bakımları ve selüloz gelen asit hidroliz yoluyla elde edilir. Onlar sadece selüloz, kimyasal değişiklik, düşük toksisite, Biyouyumluluk, biyolojik olarak parçalanabilen ve yenilenebilir, için potansiyel gibi özelliklere sahip ama aynı zamanda yüksek belirli yüzey alanı gibi Nano özelliklere sahip yüksek mekanik özellikleri , rheological ve optik özellikleri. Bu çekici özellikleri CNFs ve CNCs Biyomedikal uygulamalar için yaptık, esas olarak 3 boyutlu (3D) şeklinde hidrojel3iskele. Bu iskele kontrollü gözenek yapısı ve birbirine bağlı porozite özelleştirilmiş boyutları gerektirir. Bizim grup ve diğer 3D gözenekli selüloz nanokompozitlerin döküm, electrospinning ve4,5,6,7,8dağılması ile hazırlanan rapor. Ancak, gözenek yapısı üzerinde kontrol ve karmaşık geometriyi imalatı bu geleneksel teknikleri sayesinde elde değil.
3D baskı 3D nesneler mürekkep9bilgisayar kontrollü birikimi ile katman katman oluşturulur bir katkı imalat tekniğidir. 3D baskı geleneksel teknikleri üzerinde avantajları içerir tasarım özgürlüğü, kontrollü makro ve mikro boyutları, karmaşık mimarileri, özelleştirme ve tekrarlanabilirlik imalatı. Buna ek olarak, 3D baskı CNFs ve CNCs Ayrıca kesme kaynaklı hizalamaları, nano tanecikleri, yön, degrade porozite tercih ve 3D bioprinting10,11,12‘ ye, kolayca genişletilebilir sunar 13 , 14 , 15. son zamanlarda,16,17CNCs hizalama 3D yazdırma sırasında olmuştur dinamikleri bildirdi. Bioprinting alanında gelişmeler var etkinleştirmek 3D yazdırılan doku ve organların seçimi ve konsantrasyon canlı hücreler ve büyüme faktörleri, baskılar ve meme çapları18 baskı taşıyıcı mürekkep bileşimi gibi ilgili meydan rağmen ,19,20.
Porozite ve kıkırdak rejeneratif iskele Basınç Dayanımı, verimlilik ve performans belirleyen önemli özelliklerdir. Gözenek boyutu yapışma, farklılaşma ve besin ve metabolik atık21değişimi gelince de hücrelerin çoğalması için önemli bir rol oynar. Ancak, ideal bir değer olarak kabul edilebilir hiçbir kesin gözenek boyutu, bazı çalışmalar gösterdi daha yüksek bioactivity daha küçük gözenekli iken diğerleri daha iyi kıkırdak yeniden oluşturma büyük gözenekler ile gösterdi. Macropores (< 500 µm) hücre eki ve daha iyi mekanik özellikleri22,23micropores (150-250 µm) kolaylaştırmak iken doku Qafqaz, besin kaynağı ve atık kaldırma kolaylaştırmak. İmplante iskele işleme, zaman yeterli mekanik bütünlük olmalıdır implantasyon ve istenen amacı tamamlanması kadar. Toplam basınç modülü doğal eklem kıkırdak için 0,1-2 aralığında olduğu bildirilmiştir MPa bağlı olarak yaş, cinsiyet ve test edilmiş konum4,24,25,26,27 ,28,29.
Bizim önceki çalışma11‘ de 3D baskı güçlendirilmiş CNCs sodyum aljinat ve jelatin bir matris içeren bir hidrojel mürekkep gelen polimer ağ (IPN) interpenetrating bir çift çapraz gözenekli bioscaffolds imal etmek kullanıldı. 3D yazdırma yolu nerede nanocrystals tercihen (61-%76 arasında yönlendirme derecesi) yazdırma yönde yönlendirmek düzgün ve degrade gözenek yapıları (80-2.125 µm) ile 3D iskele ulaşmak için optimize edildi. Burada, biz mevcut devamı Bu işe ve hidrojel iskele simüle vücut koşullarında porozite etkisi 3D mekanik özellikleri yazdırılan gösterir. Burada kullanılan CNCs daha önce rapor tarafımızdan cytocompatible ve non-toksik (kuluçka 15 gün sonra teyit edilen30Yani, hücre büyümesi) olmak. Ayrıca, iskele dağılması aynı CNCs sodyum aljinat ve jelatin gösterdi yüksek gözeneklilik, fosfat tampon serum ve cytocompatibility Mezenkimal Kök hücre5doğru yüksek alımını kullanarak yolu ile hazırlanmıştır. Bu eser hidrojel mürekkep işleme, gözenekli iskele, 3D baskı ve sıkıştırma test göstermek için hedeftir. Şemaları işleme rotanın şekil 1‘ de gösterilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D baskı hidrojel mürekkebin uygun rheological özellikleri gerektirir. Düşük viskozite mürekkep şekli ekstrüzyon sonra korumak değil iken yüksek viskozite mürekkep, ekstrüzyon için aşırı basınç gerektirir. Tüm hidrojel mürekkebin viskozite malzemeyi konsantrasyon denetlenebilir. Bizim önceki çalışma11ile karşılaştırıldığında, yazdırılan iskele çözümlemesini geliştirmek için yardımcı olan konsantre hidrojel mürekkeple kaynaklanan 9.9 wt % 5.4 hidrojel mür…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışmada mali Knut ve Alice Wallenberg Vakfı (Wallenberg ahşap Bilim Merkezi), İsveçli Araştırma Konseyi, VR (Bioheal, DNR 2016-05709 ve DNR 2017-04254) tarafından desteklenmektedir.
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).
