Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

3D gözenekli selüloz Nanocomposite hidrojel iskele baskılı

Published: April 24, 2019 doi: 10.3791/59401
Automatic Translation
1, 1
1Department of Materials and Environmental Chemistry, Stockholm University

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. kara filmin tarih öncesi hazırlanması

  1. Selüloz nanocrystals süspansiyon hazırlanması
    Not: Selüloz nanocrystals yalıtım Mathew tarafından bildirilen yordamına uygun olarak yapılır ve ark30.
    1. Seyreltik 17 wt % askıya ekleyerek 2 wt % selüloz nanocrystals iyice ultra sonication ve kullanımı daha küçük toplu (250-300 mL) etkili karıştırma için 2 L. karışımının toplam hacmi yapmak için su distile.
    2. Sonified süspansiyon homogenizer üzerinden 10 kat 500-600 bar basınçta geçmek. Bu noktada, 2 wt % selüloz nanocrystals kalın bir şeffaf jel elde edilir.
    3. 11 wt % 24.500 x g 1.5 h. arasında her 30 dk. dışarı Decant su için de centrifugations aracılığıyla nanocrystals jel 2 wt % selüloz konsantre.
      Not: Deneme burada duraklatılmış.
  2. Matris aşamaları hazırlanması
    1. Sürekli karıştırma altında 60 ° C'de distile su içinde 6 wt % sodyum aljinat (SA) homojen çözüm hazırlamak.
    2. Homojen çözüm 12 wt % jelatin (jel) sürekli karıştırma altında 60 ° C'de distile su hazırlayın.
      Not: 20 mL hacmi matris çözümleri için hazırlamak ve buzdolabında saklayın.
  3. Crosslinkers hazırlanması
    1. 3 wt % Kalsiyum klorür sürekli karıştırma altında oda sıcaklığında distile su içinde çözüm hazırlamak.
    2. 3 wt % oxazolidin sürekli karıştırma altında oda sıcaklığında distile su içinde çözüm hazırlamak.
      Not: 50 mL hacmi crosslinking çözümleri için hazırlamak ve oda sıcaklığında saklayın. Satıcı bilgileri Tablo reçetesi bakın. Deneme burada duraklatılmış.

2. hidrojel mürekkep hazırlanması

  1. Polistren bir kap içinde hidrojel mürekkep 40 mL 11 wt % CNC, karıştırarak hazırlayın 6 wt % SA ve 12 wt % jel ıslak (wt %) elde etmek için CNC/SA/jel/su bileşimi: 6.87/1.50/1.50/90.12.
  2. 40 ° C ve mix karışıma spatula ile ısı kadar pürüzsüz bir hamur elde edilir.
  3. Karışımı bir 60 mL şırınga aktarın. Başka bir 60 mL şırınga, mekanik kelepçe yardımıyla içine karışımı bir dizi farklı çaplarda püskürtme uçlarını geçmek. Sorunsuz haddelenmiş filamentler hidrojel mürekkep elde edilen kadar işlemi tekrarlayın. Meme en büyük çapı 800 µm, ardından 600 µm ve 400 µm ile başlayın.
  4. Şırınga dolu kaldırmak için hidrojel mürekkeple yavaşça santrifüj (4.000 x g) hava tuzağa.
    Not: Deneme burada duraklatılmış.

3. ölçü hidrojel rheological özelliklerinin

NTE: rheological özellikleri düzgün bir plaka üzerinde koni geometri kullanarak gerçekleştirmek CP25-2-SN7617, çapı 25 mm, 2 ° nominal açı ve boşluğu yüksekliği 25 ° C'de 0.05 mm

  1. Rheometer, hava kompresörü ve sıcaklık kontrol kutusunu açın. Belgili tanımlık bilgisayar yazılımı başlatmak.
  2. Rheometer ölçme aracında dağ ve sıfır-boşluğu ayarla.
  3. Rheometer platformu üzerine hidrojel mürekkep yaklaşık 1 mL A'ya.
  4. Kesme hızı bir fonksiyonu olarak viskozite ölçmek. Kesme hızı aralığı 0,001 1.000 seçin.
  5. Ölçüm yapıldıktan sonra rheometer platformu temiz ve Kesici takımlar için ölçme. 1 mL taze hidrojel mürekkep rheometer platformda yine A'ya.
  6. Ölçüm depolama dönmeler (G′) ve kaybı dönmeler (G″) gibi kesme stres bir frekansta 1 Hz. fonksiyon seçin kesme stres aralığı 10'dan3 ' e 107.
  7. Testler tamamlandığında, verileri metin dosyasına kopyalayın ve logaritmik ölçekte rheological eğriler çizmek.

4. dosya hazırlama için 3D baskı

Not: Cura 2.4.0 yazılımı 3D İskele (20 mm3) üç tür gözenekleri olan tasarlamak için kullanılır. 1-üniforma gözenekleri 0.6 mm, 2-üniforma gözenekleri 1.0 mm ve 3-gradient gözenekleri aralığı 0.5-1 mm.

  1. Thingsinverse.com sağlam bir küp Stereolitografi (stl) dosya indirmek ve Cura içinde dosyayı açın.
  2. Dolu modeli tıklatın ve X/Y/Z için hareket: 0/0/0 mm. tıklayın ölçek, tek tip ölçekleme için onay kutusunun işaretini kaldırın ve boyutları X/Y/Z için ayarla: 20/20/20 mm. tıkırtı Döndür ve küp tarafından XY düzlemi 45 ° döndürün.
  3. Yan panelinde Nuzul ve malzeme, 0.4 mm seçin ve profil yapıştırın. Discov3ry tam yazıcıyı seçin.
  4. Yan panel özel Yazdırma ayarlarıöğesini seçin. Kalite bölümünün altında 0.2 mm için tüm alt bölümleri girin. Kabuk bölümü altında 0 mm için tüm alt bölümleri girin. Malzeme bölümünde, 1 mm çap ve % 100 akış, 26 ° C sıcaklık için girin. Hız bölümünde, 30 mm/sn Baskı hızı ve 120 mm/s Hızolarak girin. Destek bölümünün altında uncheck belgili tanımlık kutu için Desteğini etkinleştir. Plaka yapışma inşa bölümünde, etekseçin, 3 mm 150 mm ve Etek mesafe olarak etek/ağzına kadar Minimum uzunluğugirin.
  5. İskele ile Tekdüzen gözenek boyutu için 0,6 veya 1 mm Dolgu hattı mesafe girin ve Kılavuz dolgu deseniseçin.
  6. Degrade porozite iskele için birleştirme ve aracı gruplandırma kullanılır. Sağ tıklayın yüklü modeli, Birden fazla modeli2 girin ve Tamam'ıtıklatın. Her model X/Y/Z olarak ölçekleme: 20/20/7 mm. modelleri üst üste yerleştirin. Dolgu hattı uzaklığı 0,3, 0.5 ve 0.7 mm alt, orta ve üst modeli için sırasıyla girin. Her üç model (Ctrl + A) seçin, sağ tıklatın ve Grup modelleri' ı tıklatın.
  7. Modelleri emin Digital (SD) kart kaydedin. Cura otomatik olarak yazıcı tarafından okunan gcode olarak dosyayı kaydedin.

5. 3D gözenekli iskele yazdırma

  1. Transferi tüp başlığı yuvasına takın ve 400 µm meme takın. Yapı plaka ve meme arasında doğru mesafe almak için yapı plaka seviye.
  2. Centrifuged şırınga Kartuşun yük ve transferi tüp diğer tarafına bağlayın.
  3. SD oyun kağıdı yazıcının yerleştirin, hızlı temizlemek ve meme bükün başlayıncaya kadar hidrojel mürekkep tasfiye başlangıç. Homojen bir akış almak 2-3 dakika için tasfiye devam edin.
  4. --Dan SD oyun kağıdı, düzgün ve degrade porozite iskele için kaydedilmiş dosyaları seçin ve yazdırmaya başla. Ekstrüzyon oranına dikkat. Gerekirse, hız ve akış hızı uygun şekilde ayarlayın. Daha küçük gözenek boyutu için daha hızlı hızı düşük akış hızı (50 mm/s ve % 70) ile birlikte kullanın.
    Not: 3D yazdırılan iskele dokunmayın.

6. 3D polietilenin iskele baskılı

  1. Yavaşça 3D baskı tamamlandıktan sonra o tamamen ıslak hale gelene kadar iskele için 3 wt % CaCl2 damla ekleyin. İçin 5 dakika bekleyin.
  2. Çok dikkatli bir şekilde iskele transfer yazıcıdan 3 wt % CaCl2ile dolu bir 50 mL kapsayıcı. Gece bırakın.
  3. Distile su ile iyice yıkayın ve İskele 3 wt % oxazolidin ile dolu bir 50 mL kabına aktarın. Gece bırakın.
  4. İyice yıkayın ve 3D yazdırılan iskele distile su içinde saklayın.

7. sıkıştırma testi

Not: Su 37 ° C'de 100 N yük hücresi ile sıkıştırma testleri gerçekleştirmek

  1. 2 lt su ile dalgıç sıkıştırma taban plakası ile donatılmış kapsayıcıyı doldurmak ve 37 ° c ulaşmak için Isıtma sistemi başlatmak
  2. Bluehill evrensel yazılım başlatmak ve test yönteminin ayarlayın. Dikdörtgen numune geometri ve her örnek test etmeden önce boyutları girmek için seçeneğini seçin.  Gerilme oranı % 80 basınç zorlanma ile birlikte 90 N kuvvet olarak 2 mm/dak ve sonuç olarak ayarlayın.
  3. Ölçüm bölümünde, kuvvet, yer değiştirme, basınç stres ve basınç zorlanma seçin. Gelecekteki komplo için metin dosyaları olarak veri verme seçeneğini seçin.
  4. Sıfır uzantısı noktası plaka üsse olabildiğince yakın olarak crosshead plaka düşürmek için koşu denetimleri kullanarak ayarlayın.
  5. Ölçmek ve boyutları örneklerin test edilmesi için not edin.
  6. Su sıcaklığı 37 ° C'ye ulaştığında, örnek temel tabağa yerleştirin.  Örnek örnek dokunmaya başlaması crosshead plaka taşıyarak güvenli.
  7. Böylece örnek arası pilakalar onları dalmış su banyosu, yukarı çıkar su.
  8. Örnek adı ve boyutları girin. Test başlatın.
  9. Test tamamlandıktan sonra ilk su banyosu aşağı taşı ve crosshead plaka yükseltmek.
  10. Her iki tabakları temizlemek ve yeni bir örnek yük örnek ve onun parçaları kaldırın.
  11. Tüm örnekleri test sonra ham veri verin. Basınç stres vs basınç zorlanma eğriler çizmek ve basınç teğet modülü 1-%5 ve % 25-30 zorlanma değerlerinde belirlemek.
    Not: degrade küp daha büyük delikler Kırtasiye taban plakası yüz şekilde yerleştirin.
    İlk iskele kulpları arasında güvenli ve sonra Başlat/Durdur ölçüm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dayalı CNCs nanocomposite hidrojel mürekkep davranış (Şekil 2bir) inceltme güçlü Newton bükme gösterir. Beş büyüklük 50 s-1 (≈50 s-1 tipik makaslama oranı 3D yazdırma sırasında deneyimli olmak) kesme hızında 22.60 Pa.s değerine göre belirgin viskozite 1,55 × 105 Pa.s düşük kesme hızında (0,001 s-1) damla31 . Hidrojel mürekkep depolama modülü G viskoelastik katı davranış sergileyen ' (4,42 × 107 Pa) bir büyüklük kaybı modül G büyük olduğunu '' (8,26 × 106 Pa), iyi tanımlanmış dinamik verim stres değeri düşük kesme stres (G'G ='') 5,59 × 104 Pa (Şekil 2b). 3D iskele gösterildiği şekil 3' te olan gözenekli nanocomposite hidrojel basılmış. Tüm basılı iskele için şekil ve boyutları çok iyi yazdırdıktan sonra yanı sıra Çift Kişilik crosslinking sonra korunur. Kıkırdak rejenerasyon32için bir kriter olarak kabul edilir 100-400 µm aralığında iskele, 110-1100 µm, gözenek boyutları vardır.

3D yazdırılan iskele sıkıştırma modunda test edildi. Bu doğal kıkırdak rolünü yükler sıkıştırma ayı çünkü testin mekanik kıkırdak malzemeler için tercih edilen moddur. İçinde vivo koşulları taklit için iskele 37 ° C'de suda test edildi Tablo 1 ve şekil 4bir farklı gözenekli nanocomposite hidrojel iskele 2 mm/dak zorlanma oranında için elde edilen basınç verileri gösterir. Düşük gerilim hesaplı (% 1-5), basınç modülü (~ 0,17 MPa) daha fazla veya daha az gözenekli iskele tüm türleri için benzer. Bu hidrojel mürekkep elastik doğası bile macropores varlıkları içinde korunur gösterir. Ancak, yüksek gerilim oranları (% 25-30), 0.45 en yüksek modül MPa için başvuru iskele yok porozite ile elde edilir. En kısa zamanda gözenek boyutunu artırır, ancak, modül, iskele porozite ve ilgili mekanik özelliği beklenen ilişkisi gösteren yoğunluğundaki azalma nedeniyle azalır. Degrade gözenekli iskele durumunda modül daha yüksek (0,34 MPa) tek tip gözenekli İskele (0.20 ve 0,26 MPa) ile karşılaştırıldığında küçük gözenek boyutları ve daha sağlam duvarlar nedeniyle varlığıdır. Ayrıca, 3D hidrojel basınç modülü sergilenmesi ve yük için olumlu olarak kabul edilir alakalıdır doğal kıkırdak dokuların taklit artar (şekil 4b), sıkıştırma oranı arttıkça iskele Yatak33iskele. MPa 2 mm/dak zorlanma oranında artırır 5 mm/min 0,35 MPa için ve 120 mm/min 0,47 MPa için daha da artar ve kapsama alanına 0,20 basınç modülü rapor için doğal kıkırdak (yani, basınç katsayısı 0,1-2 MPa).

Figure 1
Resim 1 . Şemaları işleme rotanın. (bir) nanocomposite hidrojel mürekkep hazırlanması. (b) 3D yazdırma gözenekli iskele. (c) 3D Çift Kişilik polietilenin iskele basılmış. (d) sıkıştırma 3D gözenekli iskele 37 ° C'de suda test Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Resim 2 . Günlük – günlük araziler nanocomposite hidrojel mürekkep. (bir) viskozite vs kesme hızı ve (b) G' ve G'' makas stres vs. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3 . 3D baskılı gözenekli iskele. Ölçek: 500 µm. (bir) başvuru ile delik yok. (b) 1 mm gözenek boyutu. (c) 0.60 mm gözenek boyutu. (d) degrade porozite 110-800 µm. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4 . 3D için temsilcisi stres gerginlik eğrileri gözenekli nanocomposite hidrojel iskele basılmış. (bir) 2 mm/s. (b) farklı zorlanma, sürekli gerginlik hızında oranları için 1 mm gözenek boyutu iskele. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Hedef gözenek boyutu (µm) Ortalama gözenek boyutu (µm) % 1-5 zorlanma (MPa), basınç modülü 25-%30 zorlanma (MPa), basınç modülü
Başvuru 0 0,19 ± 0,04 0,45 ± 0.03
1000 850-1100 0,17 ± 0,02 0.2 ± 0,01
600 480-650 0,16 ± 0,01 0,26 ± 0,05
Gradyan 110-800 0,16 ± 0,01 0.34 ± 0,04

Tablo 1. 3D için sıkıştırma veri nanocomposite hidrojel iskele basılmış.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 mürekkep katı içeriği artar. Uzun esnek CNFs farklı olarak CNCs gibi katı çubuk mürekkepler fiziksel entanglements14devamsızlık nedeniyle verilen viskozitesi yüksek katı içeriği ile üretebilir, kaydetti olabilir. Baskıya etkileyen başka bir önemli polimerlerin mürekkep yönüdür. Bu hidrojel mürekkep 40 ° c sıcaklıkta Isıtma homojen CNCs matris faz ile karıştırma teşvik belirtilmişti. Daha fazla hidrojel mürekkep düzgünlüğünü sağlamak için püskürtme, en büyük çapı 800 µm, sonra 600 µm ve sonunda 400 µm ile başlayan bir dizi geçildi. Bu geçişleri sırasında meme büyük topaklar ama hidrojel mürekkep çaba harcamadan sürekli filament şeklinde kalıptan çekilmiş bu geçer sonra varlıkları gösterir tıkanmış. 3D yazdırılan yapıları almak için kafa başlığı hareketi de bizim önceki çalışma11tarafından belirtildiği gibi büyük önem taşıyor. 3D baskı çözünürlüğü korunur böylece meme yolu tekrarlanan hareketleri ve aşırı işlemimiz hidrojel mürekkep kaçınmanız gerekir.

3D yazdırılan hidrojel iskele elde porozite hedeflenen porozite (Tablo 1) göre kabul edilebilir aralığın mevcuttur. Tam bir eşleşme hidrojel mürekkep şişme doğası nedeniyle beklenemez.  Özellikle eski-situ crosslinking yapılması gereken, yani 3D yapı yazdırdıktan sonra crosslinking olduğunda hidrojel mürekkep tutarlılığını önemli bir faktördür. Bu hidrojel mürekkep yeterli (9,9 wt % katı içeriği) yoğunlaşan belirtilmişti yazdırma işlemi sırasında ve sonrasında, şekli, yapısı ve boyutlar korumak amacıyla.

İskele gözenek boyutu hücre etkileşimleri, oksijen Difüzyon ve mekanik özelliklerini gerçekleştirmek ve istenilen işlevi desteklemek için birlikte atık kaldırma temel bir rol oynar. İskele degrade porozite ile Katmanlar değişen yapısal özellikler22,23,34ile farklı dokuların hücreleri nerede maruz gerçek içinde vivo koşullar daha iyi temsil yeteneği var. Porozite ve mekanik özellikleri ters ilişkilidir ama hidrojel iskele bileşimi önemli bir rol oynayabilir. CNCs hidrojel mürekkep ana madde onun iyi bilinen mekanik özellikleri2,35,36nedeniyle seçili. Hidrojel mürekkep burada fabrikasyon, onun esneklik gözenekleri varlıkları içinde bile sahip, en uygun gözenek boyutu (110-1100 µm) ve uygun bir basınç modülü vardır (0,20-0.45 MPa) kıkırdak rejenerasyon uygulamalar için gereklidir.

Sıkıştırma testi su ve mümkün olduğu kadar içinde vivo koşulları taklit için vücut sıcaklığında yapıldı. 3D baskı ve mekanik test arasında dahil hiçbir kuruma adım oldu. İçinde doğal doku, gözeneklilik degrade bir üniforma gözenek boyutu yerine görülmektedir. Basınç modülü yaş, cinsiyet ve test edilmiş konum bağlı olarak aynı doğal dokular, taşıyıcı için sıkıştırma değerleri için geçerlidir.

Burada sunulan çalışma ile son gözeneklilik ve 3D gözenekli iskele basınç modülü değerleri kontrol ve özelleştirilmiş hidrojel mürekkep kompozisyon ve 3D yazdırma işlemi bu avantajdır. Bu iletişim kuralı esnek ve belirli gereksinimlerine göre değiştirilebilir. 3D baskı güçlü bir tekniktir ve gelecekte iskele karmaşık yapısal ve kompozisyon özellikleri ile geliştirmek için araştırdı. Çok malzeme dağıtımı devrim iskele bileşimi konsantrasyon hücreleri veya büyüme faktörleri, yön veya gözeneklilik, mekanik özellikleri ve bozulma hızı farklı gibi yapısal özellikleri denetleyerek tanıtabilirsiniz 3D bölümlerini oluşturur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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 (6x500 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%

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Dufresne, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16 (6), 220-227 (2013).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Nandgaonkar, A., Krause, W., Lucia, L. Fabrication of cellulosic composite scaffolds for cartilage tissue engineering. Nanocomposites for musculoskeletal tissue regeneration. , Elsevier. 187-212 (2016).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Sultan, S., Mathew, A. P. 3D printed scaffolds with gradient porosity based on a cellulose nanocrystal hydrogel. Nanoscale. 10, 4421-4431 (2018).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Siqueira, G., et al. Cellulose Nanocrystal Inks for 3D Printing of Textured Cellular Architectures. Advanced Functional Materials. 27 (12), 1604619-1604629 (2017).
  15. Wang, J., et al. All-in-One Cellulose Nanocrystals for 3D Printing of Nanocomposite Hydrogels. Angewandte Chemie International Edition. 57 (9), 2353-2356 (2018).
  16. Hausmann, M. K., et al. Dynamics of Cellulose Nanocrystal Alignment during 3D Printing. ACS Nano. 12 (7), 6926-6937 (2018).
  17. Liu, Y., et al. Nanoscale assembly of cellulose nanocrystals during drying and redispersion. ACS Macro Letters. 7 (2), 172-177 (2018).
  18. Murphy, S. V., Atala, A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nature Biotechnology. 32 (8), 773-785 (2014).
  19. Pati, F., et al. Printing three-dimensional tissue analogues with decellularized extracellular matrix bioink. Nature communications. 5, 3935 (2014).
  20. Xia, Z., Jin, S., Ye, K. Tissue and organ 3D bioprinting. SLAS TECHNOLOGY: Translating Life Sciences Innovation. 23 (4), 301-314 (2018).
  21. Zhang, Q., Lu, H., Kawazoe, N., Chen, G. Pore size effect of collagen scaffolds on cartilage regeneration. Acta Biomaterialia. 10 (5), 2005-2013 (2014).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Athanasiou, K., Niederauer, G., Schenck, R. Biomechanical topography of human ankle cartilage. Annals Biomedical Engineering. 23 (5), 697-704 (1995).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Compton, B. G., Lewis, J. A. 3D-printing of lightweight cellular composites. Advanced Materials. 26 (34), 5930-5935 (2014).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Zhang, K., Fan, Y., Dunne, N., Li, X. Effect of microporosity on scaffolds for bone tissue engineering. Regenerative biomaterials. 5 (2), 115-124 (2018).
  35. Lin, N., Dufresne, A. Nanocellulose in biomedicine: Current status and future prospect. European Polymer Journal. 59, 302-325 (2014).
  36. Domingues, R. M., Gomes, M. E., Reis, R. L. The potential of cellulose nanocrystals in tissue engineering strategies. Biomacromolecules. 15 (7), 2327-2346 (2014).

Tags

Biyomühendislik sayı: 146 3D baskı selüloz nanocrystals hidrojel gözenekli iskele biyomedikal uygulamaları sıkıştırma modülü
3D gözenekli selüloz Nanocomposite hidrojel iskele baskılı
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sultan, S., Mathew, A. P. 3D Printed … More

Sultan, S., Mathew, A. P. 3D Printed Porous Cellulose Nanocomposite Hydrogel Scaffolds. J. Vis. Exp. (146), e59401, doi:10.3791/59401 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter