3D tryckta porösa cellulosa Nanocomposite Hydrogel ställningar
Summary
De tre kritiska steg i detta protokoll i) utvecklar rätt sammansättning och konsekvens av cellulosa hydrogel bläck, ii) 3D utskrift av ställningar i olika pore strukturer med god form trohet och dimensioner och iii) demonstration av den mekaniska egenskaper i simulerade kropp villkor för brosk regenerering.
Abstract
Detta arbete visar användningen av tredimensionella (3D) utskrift att producera porösa cubic ställningar med cellulosa nanocomposite hydrogel bläck, med kontrollerad pore struktur och mekaniska egenskaper. Cellulosa nanokristaller (CNC, 69.62 wt %) baserat hydrogel bläck med matris (natriumalginat och gelatin) utvecklades och 3D tryckt in ställningar med enhetlig och gradient pore struktur (110-1,100 µm). Ställningar visade komprimering modulus i intervallet 0,20-0,45 MPa när testas i simulerade förhållandena in vivo (i destillerat vatten vid 37 ° C). Porstorlek och komprimering modulusen av de 3D ställningar som matchas med de krav som behövs för brosk regenerering program. Detta arbete visar att konsekvensen av bläcket kan styras av koncentrationen av prekursorer och porositet kan styras med 3D tryckmetod och båda dessa faktorer i gengäld definierar mekaniska egenskaperna för 3D tryckta porösa hydrogel byggnadsställning. Denna processmetod kan därför användas för att tillverka strukturellt och sin sammansättning kundanpassade ställningar enligt de specifika behoven hos patienter.
Introduction
Cellulosa är en polysackarid bestående av linjära kedjor av β (1-4) länkade D-glukos-enheter. Det är den vanligast förekommande naturliga polymeren på jorden och utvinns från en mängd källor, inklusive marina djur (t.ex., manteldjur), växter (t.ex. trä, bomull, vetehalm) och bakteriella källor, såsom Alger (t.ex. Valonia), svampar och även amöba (protozoer )1,2. Cellulosa nanofibrer (CNF) och cellulosa nanokristaller (CNC) med minst en dimension på nanoskala erhålls genom mekaniska behandlingar och sur hydrolys av cellulosa. De inte bara Besitter egenskaperna för cellulosa, såsom potential för kemisk modifiering, låg toxicitet, biokompatibilitet, biologiskt nedbrytbara och förnybara, men den har också nanoskala egenskaper som hög specifik yta, höga mekaniska egenskaper , reologiska och optiska egenskaper. Dessa attraktiva egenskaper har gjort CNFs och CNC lämplig för biomedicinska tillämpningar, främst i form av 3-dimensionell (3D) hydrogel ställningar3. Dessa ställningar kräver anpassade dimensioner med kontrollerad pore struktur och sammankopplade porositet. Vår grupp och andra har rapporterat 3D porösa cellulosa nanokompositer beredd genom gjutning, electrospinning och frystorkning4,5,6,7,8. Dock kontroll på pore struktur och tillverkning av komplexa geometri uppnås inte genom dessa traditionella tekniker.
3D-utskrifter är en additiv tillverkningsteknik, som 3D-objekt skapas lager av lager genom datorstyrda nedfall av bläck9. Fördelarna med 3D utskrift över traditionella tekniker inkluderar designfrihet, kontrollerade makro och mikro dimensioner, tillverkning av komplexa arkitekturer, anpassning och reproducerbarhet. Dessutom erbjuder 3D utskrift av CNFs och CNC också skjuvning-inducerad anpassningar av nanopartiklar, föredrog riktverkan, gradient porositet och kan lätt utvidgas till 3D bioprinting10,11,12, 13 , 14 , 15. dynamiken i CNC justering under 3D-utskrift har varit rapporterade nyligen,16,17. Framsteg inom bioprinting har Aktivera 3D tryckta vävnader och organ trots inblandade utmaningen som val och koncentration av levande celler och tillväxtfaktorer, sammansättning av transportören bläck, utskrift tryck och munstycke diametrar18 ,19,20.
Den porositet och tryckhållfasthet av brosk regenerativ ställningar är viktiga egenskaper som dikterar dess effektivitet och prestanda. Porstorlek spelar en viktig roll för vidhäftning, differentiering och spridning av celler samt när det gäller utbyte av näringsämnen och metabola avfall21. Men det finns ingen bestämd porstorlek som kan betraktas som ett perfekt värde, vissa studier visade högre bioaktivitet med mindre porer medan andra visade bättre brosk regenerering med större porer. Macropores (< 500 µm) underlätta vävnad mineralisering, näringstillförsel och avfallshantering medan mikroporer (150-250 µm) underlätta cell fastsättning och bättre mekaniska egenskaper22,23. Implanterade ställningen måste ha tillräcklig mekanisk integritet från tiden för hantering, implantation och fram till avslutningen av dess ändamål. Den sammanlagda tryckkraft elasticitetsmodulen för naturligt ledbrosk rapporteras vara i intervallet 0,1-2 MPa beroende på ålder, kön och testade läge4,24,25,26,27 ,28,29.
I vårt tidigare arbete11användes 3D utskrift att fabricera porösa bioscaffolds av en dubbel tvärbundna genomträngande polymer network (IPN) från en hydrogel bläck som innehåller förstärkt CNC i en matris av natriumalginat och gelatin. 3D printing smittvägen var optimerad för att uppnå 3D ställningar med enhetlig och gradient pore strukturer (80-2 125 µm) där nanokristaller orientera företrädesvis i utskriftsriktningen (graden av orientering mellan 61-76%). Här presenterar vi en fortsättning av detta arbete och visar effekten av porositet på de mekaniska egenskaperna hos 3D tryckta hydrogel ställningar i simulerade kropp villkor. CNC används här, har tidigare rapporterats av oss att vara cytocompatible och giftfri (dvs celltillväxt efter 15 dagars inkubation var bekräftade30). Dessutom förberett ställningar via frystorkning med de samma CNC, natriumalginat och gelatin visade hög porositet, hög upptaget av fosfat buffert saltlösning och cytocompatibility mot mesenkymala stamceller5. Målet med detta arbete är att Visa hydrogel bläck behandling, 3D-utskrifter av porösa ställningar och komprimering testning. Scheman över bearbetning rutten visas i figur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D-utskrift kräver lämpliga reologiska egenskaper av hydrogel bläck. Hög viskositet bläck kräver extrema tryck för dess extrudering medan låg viskositet bläck inte kommer att upprätthålla sin form efter extrudering. Viskositeten hos hydrogel bläcket kan styras genom koncentrationen av ingredienserna. Jämfört med våra tidigare arbete11ökade fast innehållet av hydrogel bläck från 5,4 till 9,9 wt % vilket resulterar i koncentrerad hydrogel bläck som hjälper till att förbättra u…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöds ekonomiskt av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse (Wallenberg Wood Science Center), Vetenskapsrådet, VR (Bioheal, DNR 2016-05709 och DNR 2017-04254).
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% |
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).
