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 trykt porøse Cellulose Nanocomposite Hydrogel stillaser

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

Summary

De tre viktige trinnene i denne protokollen i) utvikler høyre komposisjon og konsistensen av cellulose hydrogel håndskriften, ii) 3D utskrift av stillaser inn i ulike pore strukturer med god form gjengivelse og dimensjoner og iii) demonstrasjon av den mekaniske egenskaper i simulert kroppens tilstand for brusk gjenfødelse.

Abstract

Dette arbeidet demonstrerer bruken av tredimensjonale (3D) utskrift å produsere porøse kubikk stillaser bruker cellulose nanocomposite hydrogel blekk, med kontrollerte pore strukturen og mekaniske egenskaper. Cellulose nanokrystaller (CNCs, 69.62 wt %) basert hydrogel blekk med matrix (natrium alginate og gelatin) ble utviklet og 3D trykt i stillaser med uniform og gradient pore strukturen (110-1100 µm). Stillasene viste komprimering modulus mellom 0,20-0.45 MPa når testet i simulert i vivo forhold (i destillert vann på 37 ° C). Pore størrelsene og komprimering modulus av 3D stillasene samsvarer med kravene trengs for brusk gjenfødelse programmer. Dette arbeidet viser at konsistensen av blekket styres av konsentrasjonen av forløpere og porøsitet styres av 3D utskriftsprosessen og begge disse faktorene i retur definerer mekaniske egenskaper av 3D trykt porøse hydrogel stillaset. Denne prosessen metoden kan derfor brukes til å fabrikkere strukturelt og compositionally tilpasset stillaser i henhold til de spesifikke behovene pasienter.

Introduction

Cellulose er et polysakkarid består av lineær kjeder av β (1-4) koblede D-glukose enheter. Det er den mest tallrike naturlig polymer på jorden og er Hentet fra en rekke kilder, inkludert marine dyr (f.eks kappedyr), planter (f.eks tre, bomull, hvete strå) og bakteriell kilder, som alger (f.eks Vallonia), sopp og selv amoeba (protozoer )1,2. Cellulose nanofibers (CNF) og cellulose nanokrystaller (CNC) med minst én dimensjon på nanoskala er innhentet gjennom behandlinger og syre hydrolyse fra cellulose. De ikke bare har egenskapene til cellulose, som potensialet for kjemisk endring, lav toksisitet, biocompatibility, biologisk nedbrytbart og fornybar, men det har også nanoskala egenskaper som høy bestemt areal, høy mekaniske egenskaper , reologiske og optiske egenskaper. Disse attraktive egenskaper har gjort CNFs og CNCs egnet for biomedisinsk programmer, hovedsakelig i form av 3-dimensjonale (3D) hydrogel stillaser3. Disse stillaser krever tilpasset dimensjoner med kontrollert pore strukturen og sammenhengende porøsitet. Vår gruppe og andre har rapportert 3D porøse cellulose nanocomposites forberedt gjennom støping, electrospinning og Frysetørring4,5,6,7,8. Imidlertid kontroll på pore strukturen og fabrikasjon av sammensatt geometri er ikke oppnådd gjennom disse tradisjonelle teknikker.

3D-utskrift er en additiv produksjon teknikk, 3D objekter opprettes lagvis gjennom datastyrt avsetning av blekk9. Fordelene med 3D-utskrift over tradisjonelle teknikker inkluderer design frihet, kontrollert makro og mikro dimensjoner, fabrikasjon av komplekse arkitekturer, tilpasning og reproduserbarhet.  I tillegg tilbyr 3D-utskrift av CNFs og CNCs også skjær-indusert justeringer av nanopartikler, foretrakk retningen, gradient porøsitet og kan enkelt utvides til 3D bioprinting10,11,12, 13 , 14 , 15. nylig dynamikken i CNCs justering under 3D utskrift har vært rapportert16,17. Fremskritt innen bioprinting har aktiverer 3D trykt vev og organer tross involvert utfordringen som valg og konsentrasjonen av levende celler og vekstfaktorer, sammensetningen av transportør håndskriften, trykk og munnstykke diameter18 ,19,20.

Porøsitet og kompresjons styrken av brusk regenerativ stillasene er viktige egenskaper som bestemmer dens effektivitet og ytelse. Porestørrelse spiller en viktig rolle for vedheft, differensiering og spredning av celler så vel som for utveksling av næringsstoffer og metabolske avfall21. Men det er ingen bestemt porestørrelse som kan anses som en perfekt verdi, noen studier viste høyere bioactivity med mindre porer mens andre viste bedre brusk gjenfødelse med større porene. Macropores (< 500 µm) lette vev mineralisering, Nærings levering og fjerning mens micropores (150-250 µm) lette celle vedlegg og bedre mekaniske egenskaper22,23. Implantert stillaset må ha tilstrekkelig mekanisk integritet fra tidspunktet for håndtering, implantasjon til ferdigstillelse av det ønskede formålet. Samlet kompresjons modulus for naturlig articular brusk er rapportert å være i området 0,1-2 MPa avhengig av alder, kjønn og testet sted4,24,25,26,27 ,28,29.

I vår tidligere arbeid11, ble 3D-utskrift brukt til å fabrikkere porøse bioscaffolds av en dobbel krysskoblet interpenetrating polymer network (IPN) fra en hydrogel håndskrift med forsterket CNCs i en matrise av natrium alginate og gelatin. 3D utskrift veien var optimalisert for å oppnå 3D stillaser med uniform og gradient pore strukturer (80-2,125 µm) der nanokrystaller orient fortrinnsvis i utskriftsretningen (grad av retningen mellom 61-76%). Her vi presenterer videreføring av dette arbeid og demonstrerer effekten av porøsitet mekaniske egenskaper 3D trykt hydrogel stillaser simulert kroppen forhold. CNCs brukt her, ble tidligere rapportert av oss å være cytocompatible og ikke-giftig (dvs. cellevekst etter 15 dager med inkubering var bekreftet30). Videre stillaser forberedt via fryse-tørking benytter de samme CNCs, natrium alginate og gelatin viste høy porøsitet, høy opptak fosfat buffer saltvann og cytocompatibility mot mesenchymal stamceller5. Målet med dette arbeidet er å vise hydrogel blekk behandling, 3D utskrift av porøse stillaser og komprimering testing. Skjematisk av behandling ruten vises i figur 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. forberedelse av prekursorer

  1. Utarbeidelse av cellulose nanokrystaller suspensjon
    Merk: Isolering av cellulose nanokrystaller gjøres i henhold til prosedyren rapportert av Mathew, et al30.
    1. Fortynne 17 wt % suspensjon av cellulose nanokrystaller 2 wt % ved å legge til destillert vann for å lage et totalt volum på 2 L. blanding grundig med ultra sonication og bruke mindre bunker (250-300 mL) for effektiv blanding.
    2. Passere sonified suspensjon gjennom homogenizer 10 ganger ved et trykk på 500-600 bar. Foreløpig hentes en tykk gjennomsiktig gel av 2 wt % cellulose nanokrystaller.
    3. Konsentrere 2 wt % cellulose nanokrystaller gel 11 wt % gjennom centrifugations 24 500 x g for 1,5 h. Decant vann ut mellom hver 30 min.
      Merk: Eksperiment kan pauses her.
  2. Utarbeidelse av matrix faser
    1. Forberede homogen løsning av 6 wt % natrium alginate (SA) i destillert vann på 60 ° C kontinuerlig omrøring.
    2. Forberede homogen løsning av 12 wt % gelatin (Gel) i destillert vann på 60 ° C kontinuerlig omrøring.
      Merk: Forberede et volum på 20 mL matrix løsninger og oppbevares i kjøleskap.
  3. Utarbeidelse av crosslinkers
    1. Forberede løsning av 3 wt % veisalt i destillert vann ved romtemperatur under kontinuerlig omrøring.
    2. Forberede løsning av 3 wt % glutaraldehyde i destillert vann ved romtemperatur under kontinuerlig omrøring.
      Merk: Forberede et volum på 50 mL crosslinking løsninger og lagre i romtemperatur. Se Tabellen for materiale for leverandørinformasjon. Eksperimentet kan pauses her.

2. forberedelse av hydrogel blekk

  1. Forberede 40 mL av hydrogel blekk i polystyren beholder ved å blande 11 wt % CNC, 6 wt % SA og 12 wt % Gel for å få en våt (wt %) sammensetningen av CNC/SA/Gel/vann: 6.87/1.50/1.50/90.12.
  2. Varm blandingen til 40 ° C og bland med en slikkepott til en jevn lim er oppnådd.
  3. Overføre blandingen i en 60 mL sprøyte. Pass blandingen gjennom en rekke dyser med forskjellige diametere i en annen 60 mL sprøyte, ved hjelp av mekanisk klemme. Gjenta prosessen til glatt ekstrudert filamenter hydrogel blekk er oppnådd. Start med munnstykke med største diameter på 800 µm, etterfulgt av 600 µm og 400 µm.
  4. Forsiktig sentrifuger (4000 x g) sprøyten fylt med hydrogel blekk fjerne fanget luft.
    Merk: Eksperiment kan pauses her.

3. måling av reologiske egenskapene til hydrogel

NTE: Utfører reologiske egenskapene med en glatt kjegle-on-plate geometri, CP25-2-SN7617, diameter 25 mm, 2 ° nominell vinkel og avstand høyde 0.05 mm på 25 ° C.

  1. Slå på rheometer, luftkompressor og temperatur kontrollboksen. Initialisere programvaren.
  2. Montere verktøyet måler i rheometer og angi null-gap.
  3. Extrude ca 1 mL av hydrogel blekket på rheometer plattformen.
  4. Måle viskositet som en funksjon av skjær. Velg skjær rate fra 0,001 til 1000.
  5. Etter måling er gjort, rydde rheometer plattformen og måler verktøyet. Extrude 1 mL av fersk hydrogel blekk igjen på rheometer plattform.
  6. Måle lagring moduli (G′) og tap moduli (G″) som en funksjon av skjæring stress på en frekvens på 1 Hz. Velg skjæring stress fra 103 til 107.
  7. Når testene er fullført, kopiere dataene til tekstfil og tegne reologiske kurver i logaritmisk skala.

4. filen forberedelse til 3D-utskrift

Merk: Cura 2.4.0 programvare brukes til å utforme 3D stillaser (20 mm3) har tre typer porene. 1-uniform porene 0.6 mm, 2-uniform porene i 1.0 mm og 3-gradient porene i området 0,5-1 mm.

  1. Laste ned stereolitografi (stl) for en solid kube fra thingsinverse.com og åpne filen i Cura.
  2. Klikk lastet modellen og flytte den til X/Y/Z: 0/0/0 mm. Klikk skala, uncheck boksen for Uniform skalering og angi målene til X/Y/Z: 20/20/20 mm. Klikk Roter og rotere kuben ved 45 ° i XY fly.
  3. I sidepanelet, i munnstykket & materiale, Velg 0.4 mm og limer profilen. Velg Discov3ry komplett som skriveren.
  4. I sidepanelet, velger du Egendefinert for Skriveroppsett. Kvalitet delen angi 0.2 mm for alle delområder. Shell delen angi 0 mm for alle delområder. Materiale i delen Angi 26 ° C for temperatur, 1 mm Diameter og 100%. Angi 30 mm/s Skrivehastighet og 120 mm/s som Kjørehastighet hastighet i delen. Under Support avdeling, uncheck boksen for Aktiverer støtte. Bygge Plate vedheft delen Velg skjørt, skriver du inn 3 mm som Skjørt avstanden og 150 mm som skjørt/randen Minimum lengde.
  5. Stillaser med uniform porestørrelse, angi 0,6 eller 1 mm Infill linjeavstanden og velge Infill rutenettmønster.
  6. Gradient porøsitet stillaser brukes fletting og gruppering verktøyet. Høyreklikk lastet modellen, velg Flere modeller, angi 2 og trykk OK. Skalere hver modell som X/Y/Z: 20/20/7 mm sett modeller oppå hverandre. Angi Infill linjeavstanden som 0,3, 0,5 og 0,7 mm for bunnen, midten og toppen modellen, henholdsvis. Velg alle tre modeller (Ctrl + A), høyreklikk, og klikk Gruppe modeller.
  7. Lagre modellene på at Digital (SD)-kort. Cura automatisk lagre filen som gcode som leses av skriveren.

5. 3D utskrift porøse stillaser

  1. Overføre røret inn munnstykke holderen og koble 400 µm munnstykket til. Nivå bygge platen for å få riktig avstand mellom bygge plate og munnstykke.
  2. Last centrifuged sprøyten inn i kassetten og koble den til den andre siden av overføring røret.
  3. Sett inn SD-kortet inn i skriveren, velger Purge raskt og starte purging hydrogel blekk før det begynner å extrude fra munnstykket. Fortsett sletting for 2-3 minutter å få en homogen flyt.
  4. Fra SD-kortet, Velg de lagrede filene for enhetlig og gradient porøsitet stillaser og begynne utskriften. Hold et øye på ekstrudering rate. Eventuelt justere fart og flyt deretter. For mindre porestørrelse, bruk hastigheten kombinert med lav flow rate (50 mm/s og 70%).
    Merk: Ikke berør 3D trykt stillasene.

6. Crosslinking 3D trykt stillaser

  1. Etter 3D utskriften er fullført, forsiktig legge dråper 3 wt % CaCl2 til stillaset til den blir helt våt. Vent 5 min.
  2. Nøye overføre stillaset fra skriveren til en 50 mL container fylt med 3 wt % CaCl2. La den over natten.
  3. Vask grundig med destillert vann og overføre stillaset til en 50 mL container fylt med 3 wt % glutaraldehyde. La den over natten.
  4. Vask og lagre 3D trykt stillaset i destillert vann.

7. komprimering testing

Merk: Utfør komprimering tester med 100 N Last cellen i vann på 37 ° C.

  1. Fyll beholderen utstyrt med nedsenkbare komprimering bunnplate med 2 L vann og starte varmesystemet å nå 37 ° C.
  2. Initialiser Bluehill Universal programvare og angi testing. Velg rektangulære prøven geometri og velg alternativet for å angi dimensjoner før testing hver prøve.  Angi belastning hastigheten til 2 mm/min og slutten av resultatet som 80% kompresjons belastning med 90 N kraft.
  3. I mål -delen velger du kraft, forskyvning, kompresjons stress og kompresjons belastning. Velge å eksportere data som tekstfiler for fremtidige plotting.
  4. Angi filtypen nullpunktet jogge kontrollene til lavere crosshead plate så nær som mulig til sokkelplate.
  5. Mål og merke deg målene på prøvene å bli testet.
  6. Når vanntemperaturen når 37 ° c, plass prøven på bunnplate.  Fest prøven ved å flytte crosshead platen slik at den starter å ta prøven.
  7. Flytte vannbad, slik at platene med utvalg i mellom dem er nedsenket i vann.
  8. Angi eksempel navn og mål. Start testen.
  9. Når testen er fullført, først flytte vannbad ned og deretter heve crosshead platen.
  10. Fjerne prøven og dens stykker, hvis noen, rengjøre begge platene og laste inn en ny prøve.
  11. Når alle prøvene er testet, eksport rådata. Plot kompresjons stress vs kompresjons belastning kurver og bestemme kompresjons tangent modulus på belastning verdier av 1-5% og 25-30%.
    Merknad: Plassere gradient kuben slik at større hull møte skrivepapir bunnplate.
    Først feste stillaset mellom tak og deretter start/stopp målingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

CNCs basert nanocomposite hydrogel blekk viser en sterk ikke-newtonsk skjær tynning atferd (figur 2en). Den tilsynelatende viskositeten på 1.55 × 105 Pa.s til en lav skjær rate (0,001 s-1) faller av fem størrelsesordener verdien 22.60 Pa.s frekvensen skjær av 50 s-1 (≈50 s-1 er en typisk skjær rate i løpet av 3D-utskrift)31 . Hydrogel håndskriften har en viskoelastiske solid virkemåte, som lagring modulus G' (4.42 × 107 Pa) er en størrelsesorden større enn tap modulus G'' (8.26 × 106 Pa) på lav skjæring stress, med en godt definert dynamisk avkastning stress verdi (G'= G'') av 5.59 × 104 Pa (figur 2b). 3D trykt porøse nanocomposite hydrogel stillasene er vist i Figur 3. For alle utskrevne stillasene beholdes form og dimensjoner godt etter utskrift og etter dobbel crosslinking. Pore filstørrelser stillasene, 110-1100 µm, er mellom 100-400 µm som regnes som en målestokk for brusk gjenfødelse32.

3D trykt stillasene ble testet i Komprimeringsmodus. Dette er den foretrukne modusen for mekanisk testing for brusk materialer fordi rollen som naturlig brusk er å laster komprimering. For å etterligne i vivo betingelsene, ble stillaser testet i vann på 37 ° C. Tabell 1 og Figur 4en representerer kompresjons dataene innhentet for ulike porøse nanocomposite hydrogel stillaser frekvensen belastning av 2 mm/min. Til lav belastning priser (1-5%), kompresjons modulus (~ 0,17 MPa) er mer eller mindre lik for alle typer porøse stillaser. Dette viser at elastisk natur hydrogel blekket er bevart i tilstedeværelsen av macropores. Men til høy belastning priser (25-30%), den høyeste modulus av 0.45 MPa oppnås for referanse stillaset med ingen porøsitet. Men så snart porestørrelse øker, synker modulus, på grunn av nedgang i tetthet som angir forventet forholdet mellom porøsitet av stillasene og tilsvarende mekaniske egenskaper. I gradient porøse stillasene er modulus høyere (0.34 MPa) sammenlignet med uniform porøse stillaser (0,20 og 0,26 MPa) på grunn av mindre pore størrelser og mer solid vegger. Videre kompresjons modulus av 3D hydrogel stillaser øker som renteøkninger komprimering (Figur 4b), viser og etterligne viscoelasticity av naturlige brusk vev som regnes som gunstig for belastning bærende stillaser33. Kompresjons modulus av 0,20 MPa minst belastning 2 mm/min øker til 0,35 MPa på 5 mm/min og ytterligere øker til 0.47 MPa på 120 mm/min og i området rapportert for naturlig brusk (dvs. kompresjons modulus 0.1-2 MPa).

Figure 1
Figur 1 . Skjematisk av behandling ruten. (en) utarbeidelse av nanocomposite hydrogel håndskriften. (b) 3D utskrift porøse stillaser. (c) dobbel crosslinking 3D trykt stillaser. (d) komprimering testing av 3D porøse stillaser i vann på 37 ° C. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 . Logg-Logg tomter nanocomposite hydrogel blekk. (en) viskositet vs skjær og (b) G' og G'' vs skjæring stress. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 . 3D trykt porøse stillaser. Skala: 500 µm. (en) referanse med ingen hull. (b) 1 mm porestørrelse. (c) 0,60 mm porestørrelse. (d) Gradient porøsitet 110-800 µm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 . Representant stress-belastning kurver for 3D trykt porøse nanocomposite hydrogel stillaser. (en) med konstant press hastighet på 2 mm/s. (b) på forskjellige belastning priser for 1 mm pore størrelse stillaset. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Målet porestørrelse (µm) Gjennomsnittlig porestørrelse (µm) Kompresjons modulus på 1-5% belastning (MPa) Kompresjons modulus på 25-30% belastning (MPa)
Referanse 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
Gradering 110-800 0,16 ± 0,01 0.34 ± 0,04

Tabell 1. Komprimeringsdata for 3D trykt nanocomposite hydrogel stillaser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

3D-utskrift krever egnet reologiske egenskaper av hydrogel blekk. Høy viskositet blekket vil kreve ekstreme press for sin ekstrudering mens lav viskositet blekk ikke vil opprettholde formen etter ekstrudering. Viskositet av hydrogel blekk kan styres gjennom konsentrasjonen av ingrediensene. I forhold til våre tidligere arbeid11, er solid innholdet av hydrogel blekk økt fra 5.4 9.9 wt % resulterer i konsentrert hydrogel blekk som bidrar til å forbedre oppløsningen på utskrevne stillaset. Det kan bemerkes at i motsetning til lenge fleksible CNFs, stive stang som CNCs kan produsere blekk med høyere solide innholdet på en gitt viskositet på grunn av fravær av fysiske sammenfiltring14. En annen viktig aspekt som påvirker om utskrift er mulig er homogenitet av blekk. Det ble bemerket at oppvarming hydrogel blekket ved en temperatur på 40 ° C fremmer en homogen blanding av CNCs med matrix fase. For ytterligere å sikre jevne hydrogel blekk, ble det sendt gjennom en rekke dyser, starter med den største diameteren på 800 µm, da 600 µm og endelig 400 µm. Under disse går, kan munnstykket tette som viser tilstedeværelsen store klumper men etter disse passerer hydrogel håndskriften ekstrudert uanstrengt i form av en kontinuerlig filament. Munnstykke bevegelse for å få 3D trykt konstruksjoner er også av stor betydning som indikert av våre tidligere arbeid11. Munnstykke veien bør unngå repeterende bevegelser og overflødig avsetninger av hydrogel blekk slik at oppløsningen for 3D utskriften er bevart.

Porøsitet innhentet i 3D trykt hydrogel stillasene er akseptable verdier i forhold til de målrettede porøsitet (tabell 1). Samsvarer eksakt kan ikke forventes på grunn av hevelse hydrogel håndskriften.  Konsistensen av hydrogel blekk er en viktig faktor spesielt når ex-situ crosslinking må gjøres, dvs crosslinking etter utskrift av 3D Konstruer. Det ble bemerket at hydrogel blekket var konsentrert nok (solid innhold på 9,9 wt %) å opprettholde sin form, struktur og dimensjoner under og etter utskriftsprosessen.

Porestørrelse av stillaset spiller en viktig rolle i celle interaksjoner, oksygen diffusjon og fjerning med sine mekaniske egenskaper til å utføre og støtte ønsket funksjonalitet. Stillaser med gradient porøsitet har muligheten til å bedre representere de faktiske i vivo forholdene der celler er utsatt for lag av ulike vev med varierende strukturelle egenskapene22,23,34. Porøsitet og mekaniske egenskaper er omvendt relatert, men sammensetningen av hydrogel stillaset kan spille en viktig rolle. CNCs er valgt som den viktigste ingrediensen i hydrogel blekk på grunn av sin velkjente mekaniske egenskaper2,35,36. Hydrogel håndskriften fabrikkert her, har sin elastisitet også ved tilstedeværelsen av porene, har en optimal porestørrelse (110-1100 µm) og en passende kompresjons modulus (0,20-0.45 MPa) kreves for brusk gjenfødelse programmer.

Komprimering testing ble gjort i vann og kroppstemperatur å etterligne i vivo betingelsene som mulig. Det var ingen tørking trinn involvert mellom 3D-utskrift og mekanisk testing. I naturlige vev, er porøsitet gradering observert i stedet for en ensartet porestørrelse. Det samme gjelder for komprimering verdier for bærende naturlige vev, som kompresjons modulus avhenger av alder, kjønn og testet plasseringen.

Fordelen med undersøkelsen er presentert her er at den endelige porøsitet og kompresjons modulus verdier av 3D porøse stillaset kan kontrolleres og tilpasset gjennom hydrogel blekk sammensetning og 3D utskriftsprosessen. Denne protokollen er fleksible og kan endres i henhold til kravene. 3D-utskrift er en kraftig teknikk og utforskes i fremtiden for å utvikle stillaser med komplekse strukturelle og kompositoriske funksjoner. Multi materiale dispensing kan introdusere revolusjonen ved å kontrollere sammensetningen av stillasene, konsentrasjonen av celler eller vekstfaktorer, strukturelle funksjoner som retningen eller porøsitet, mekaniske egenskaper og fornedrelse rate i ulike deler av 3D lager.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Denne studien er økonomisk støttet av Knut og Alice Wallenberg Foundation (Wallenberg tre Science Center), svensk Research Council, VR (Bioheal, DNR 2016-05709 og DNR 2017-04254).

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

Bioteknologi problemet 146 3D-utskrift cellulose nanokrystaller hydrogel porøse stillaser biomedisinsk programmer komprimering modulus
3D trykt porøse Cellulose Nanocomposite Hydrogel stillaser
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