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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. beredning av prekursorer
- Beredning av cellulosa nanokristaller suspension
Obs: Isolering av cellulosa nanokristaller sker enligt det förfarande som rapporterats av Mathew, et al30.- Utspädd 17 wt % suspensionen av cellulosa nanokristaller till 2 wt % genom att lägga till destillerat vatten för att göra en total volym på 2 L. blanda noga med ultra ultraljudsbehandling och använda mindre batchar (250-300 mL) för effektiv blandning.
- Passera sonified suspensionen genom homogenisatorn 10 gånger vid ett tryck på 500-600 bar. Vid denna punkt, erhålls en tjock transparent gel av 2 wt % cellulosa nanokristaller.
- Koncentrera sig 2 wt % cellulosa nanokristaller gel till 11 wt % genom centrifugations vid 24 500 x g i 1,5 h. Dekantera vatten ut mellan varje 30 min.
Obs: Experiment kan pausas här.
- Beredning av matrix faser
- Förbereda homogen lösning av 6 wt % natriumalginat (SA) i destillerat vatten vid 60 ° C under kontinuerlig omrörning.
- Förbereda homogen lösning av 12 wt % gelatin (Gel) i destillerat vatten vid 60 ° C under kontinuerlig omrörning.
Obs: Förbereda en volym på 20 mL för matrix lösningar och förvara i kylskåp.
- Beredning av bindemedel
- Bered den 3 wt % kalciumkloridlösning i destillerat vatten vid rumstemperatur under kontinuerlig omrörning.
- Förbered en lösning av 3 wt % glutaraldehyd i destillerat vatten vid rumstemperatur under kontinuerlig omrörning.
Obs: Förbereda en volym 50 ml för crosslinking lösningar och förvara i rumstemperatur. Se Tabell för material för leverantörsinformation. Experimentet kan pausas här.
2. beredning av hydrogel bläck
- Förbereda 40 mL hydrogel bläck i polystyren behållare genom att blanda 11 wt % CNC, 6 wt % SA och 12 wt % Gel för att få en våt (wt %) sammansättningen av CNC/SA/Gel/vatten: 6.87/1.50/1.50/90.12.
- Värm blandningen till 40 ° C och blanda med en spatel tills en slät smet.
- Över blandningen i en 60 mL spruta. Passera blandningen genom en serie av munstycken med olika diametrar i en annan 60 mL spruta, med hjälp av mekanisk klämma. Upprepa processen tills smidigt extruderad filament av hydrogel bläck erhålls. Börja med munstycke med största diameter 800 µm, följt av 600 µm och 400 µm.
- Försiktigt centrifug (4 000 x g) på sprutan fylls med hydrogel färg att ta bort instängd luft.
Obs: Experiment kan pausas här.
3. mätning av reologiska egenskaper av hydrogel
NTE: Utföra de reologiska egenskaperna med hjälp av en smidig kon-på-tallrik geometri, CP25-2-SN7617, diameter 25 mm, 2 ° nominella vinkel och gap höjd 0,05 mm vid 25 ° C.
- Slå på reometer, luftkompressor och temperatur kontrollbox. Initiera programvaran.
- Montera mätverktyget i reometer och ange noll-gap.
- Pressa ca 1 mL hydrogel bläcket på reometer plattformen.
- Mäta viskositeten som en funktion av shear rate. Välj det skjuvning intervallet från 0.001 till 1 000.
- Efter mätningen görs, rengör reometer plattformen och mätverktyg. Pressa 1 mL färsk hydrogel bläck igen på reometer plattformen.
- Mäta lagring moduli (G′) och förlust moduli (G″) som en funktion av shear stress på en frekvens av 1 Hz. Välj intervallet skjuvspänningen 103 till 107.
- När testerna har slutförts, kopiera data till textfil och rita reologiska kurvor i logaritmisk skala.
4. filen förberedelse för 3D-utskrifter
Obs: Cura 2.4.0 programvara används för att utforma 3D ställningar (20 mm3) att ha tre typer av porer. 1-uniform porerna i 0,6 mm, 2-enhetlig porerna i 1,0 mm och 3-gradient porerna i intervallet 0,5-1 mm.
- Ladda ner Stereolitografi (stl) av en solid kub från thingsinverse.com och öppna filen i Cura.
- Klicka på inlästa modellen och flytta den till X/Y/Z: 0/0/0 mm. Klicka på skala, avmarkera rutan för enhetlig skalning och ange dimensioner till X/Y/Z: 20/20/20 mm. Klicka på Rotera och rotera kuben av 45 ° i XY-planet.
- I sidopanelen, i munstycke & Material, Välj 0,4 mm och klistra in profilen. Markera den Discov3ry komplett .
- I sidopanelen, Välj anpassad för Skrivarinställning. Under avsnittet, ange 0,2 mm för alla sub sektioner. Under skalet avsnitt, ange 0 mm för alla sub sektioner. Under Material avsnitt, ange 26 ° C för temperatur, 1 mm Diameter och 100% flöde. Under hastighet avsnitt, ange 30 mm/s som Utskriftshastighet och 120 mm/s som Körhastighet. Under hjälpsektionen, avmarkerar du kryssrutan för Aktivera stöd. Under Bygga plattan vidhäftning avsnitt, Välj kjol, skriv 3 mm som Kjol avstånd och 150 mm som kjol/brädden minsta längd.
- För ställningar med enhetliga porstorlek, 0,6 eller 1 mm Utfyllnad linje avstånd och välj Utfyllnad rutmönster.
- För gradient porositet ställningar används sammanslagning och gruppering verktyg. Högerklicka på den lastas modellen, Välj Flera modeller, ange 2 och tryck OK. Skala varje modell som X/Y/Z: 20/20/7 mm. Placera modellerna ovanpå varandra. Ange Utfyllnad linje distans som 0,3, 0,5 och 0,7 mm för nedre, mellersta och övre modell, respektive. Välj alla tre modeller (Ctrl + A), högerklicka och klicka på Grupp modeller.
- Spara modellerna på säker Digital (SD) kortet. Cura spara automatiskt filen som gcode som läses av skrivaren.
5. 3D utskrift porösa ställningar
- Överföringsröret för in munstycket innehavaren och ansluta 400 µm munstycke till den. Nivå bygga plattan att få rätt avstånd mellan bygga plattan och munstycke.
- Ladda centrifugeras sprutan in i kassetten och Anslut den till andra sidan av överföringsröret.
- Sätt in SD-kortet i skrivaren och välj Rensa snabbt börja rensa hydrogel bläcket tills det börjar att extrudera från munstycket. Fortsätt purging för 2-3 min att erhålla en homogen flöde.
- Från SD-kortet, Välj de sparade filerna för enhetlig och gradient porositet ställningar och starta utskriften. Håll koll på andelen extrudering. Om det behövs, justera hastighet och flöde med detta. För mindre porstorlek, använda snabbare fart kombinerat med lågt flöde (50 mm/s och 70%).
Obs: Rör inte de 3D tryckta ställningar.
6. Crosslinking av 3D tryckta ställningar
- Efter 3D Tryckningen är klar, varsamt tillsätt droppar 3 wt % CaCl2 till schavotten tills det blir helt blöt. Vänta 5 min.
- Mycket noggrant överför ställningen från skrivaren till en 50 mL behållare fylld med 3 wt % CaCl2. Lämna det över natten.
- Tvätta noggrant med destillerat vatten och överför ställningen till en 50 mL behållare fylld med 3 wt % glutaraldehyd. Lämna det över natten.
- Tvätta grundligt och lagra 3D tryckta ställningen i destillerat vatten.
7. komprimering testning
Obs: Utföra kompressionsprov med 100 N belastning cell i vatten vid 37 ° C.
- Fyll behållaren med dränkbar komprimering bottenplatta med 2 L vatten och börja värmesystemet för att nå 37 ° C.
- Initiera Bluehill universell programvara och ställa in testmetoden. Välj rektangulärt preparatet geometri och välja alternativet att ange dimensioner innan testning varje prov. Ange stam 2 mm/min och slutet av resultatet som 80% tryckkraft stam tillsammans med 90 N kraft.
- Välj kraft, förskjutning, tryckkraft stress och tryckkraft stam i avsnittet mätning . Välj alternativet för att exportera data som textfiler för framtida plottning.
- Ange nollpunkten förlängning med jog kontrollerna till lägre krysspårskruvar plattan så nära som möjligt till bottenplattan.
- Mät och notera dimensionerna av proverna som ska testas.
- När vattentemperaturen når till 37 ° C, placera provet på bottenplattan. Säkra provet genom att flytta krysspårskruvar plattan så att det börjar röra provet.
- Flytta vattenbadet upp, så att plattorna med de prov-mellan dem är nedsänkta i vatten.
- Ange exempel namn och mått. Starta testet.
- När testet är klart, först flytta vattenbadet ned och sedan höja krysspårskruvar plattan.
- Ta bort provet och dess lappar, om någon, rengör båda plåtarna och ladda ett nytt stickprov.
- När alla prover testas, exportera rådata. Rita tryckkraft stress vs tryckkraft töjningskurvor och avgöra tryckkraft Tangerande modulus vid stam värden på 1-5 och 25-30%.
Obs: Placera kuben lutning på ett sådant sätt att de största hålen möta brevpapper bottenplattan.
Första säkra ställningen mellan grepp och sedan starta/stoppa mätningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
CNC baserat nanocomposite hydrogel bläck visar en stark icke-newtonska skjuvning gallring beteende (figur 2en). Uppenbara viskositeten 1,55 × 105 Pa.s på en låg skjuv-rate (0,001 s-1) sjunker med fem tiopotenser till ett värde av 22.60 Pa.s skjuvning uppgå till 50 s-1 (≈50 s-1 är en typisk skjuvning hastighet erfarna under 3D utskrift)31 . Hydrogel bläck uppvisar en viskoelastiska solid beteende, som lagring modulus G' (4,42 × 107 Pa) är en storleksordning större än förlust modulus G'' (8,26 × 106 Pa) på låg skjuvspänning, med en väldefinierad dynamiska förbrukningsvärde stress (G'= G'') för 5.59 × 104 Pa (figur 2b). 3D tryckta porösa nanocomposite hydrogel ställningar är visas i figur 3. För alla de tryckta ställningar bevaras mycket väl form och mått efter utskrift samt efter dubbel crosslinking. Porstorlek på ställningar, 110-1,100 µm, är i intervallet 100-400 µm som anses vara ett riktmärke för brosk regenerering32.
De 3D tryckta ställningar prövades i komprimeringsläge. Detta är den föredragna mekanisk provning för brosk material eftersom rollen av naturliga brosk är att bära laster i kompression. För att efterlikna förhållandena i in vivo, testades ställningar i vatten vid 37 ° C. Tabell 1 och figur 4en representerar tryckkraft uppgifterna om olika porösa nanocomposite hydrogel ställningar i en stam takt 2 mm/min. Vid låg töjningshastigheter (1-5%), tryckkraft modulus (~ 0.17 MPa) är mer eller mindre liknande för alla typer av porösa ställningar. Detta visar att den elastiska naturen av hydrogel bläck bevaras även i närvaro av macropores. Dock på höga töjningshastigheter (25-30%), högsta modulusen av 0,45 MPa erhållna referens byggnadsställning med ingen porositet. Dock så snart porstorlek ökar, minskar modulus, på grund av minskningen i densitet som visar beräknade förhållandet mellan porositet av ställningar och motsvarande mekaniska egenskaper. Vid de lutning porösa ställningar är modulus högre (0,34 MPa) jämfört med enhetliga porösa ställningar (0.20 och 0,26 MPa) på grund av förekomsten av mindre porstorlek och mer solida väggar. Dessutom ställningar tryckkraft modulusen av den 3D hydrogel ökar som de kompression ökar (figur 4b), uppvisar och härma den viskoelasticitet av naturliga brosk vävnader som anses vara gynnsamma för last uthärda ställningar33. Tryckkraft modulusen av 0,20 MPa stam hastighet av 2 mm/min ökar till 0,35 MPa vid 5 mm/min och ytterligare ökar till 0.47 MPa vid 120 mm/min och är i intervallet rapporteras för naturliga brosk (dvs tryckkraft modulus av 0,1-2 MPa).
Figur 1 . Scheman över processmetod. (en) förberedelse av nanocomposite hydrogel bläck. (b) 3D utskrift porösa ställningar. (c) dubbel crosslinking av 3D tryckta ställningar. (d) komprimering test av 3D porösa ställningar i vatten vid 37 ° C. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 . Log-log tomter nanocomposite hydrogel ink. (en) viskositet vs. skjuvning och (b), G' och G'' kontra skjuvspänningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 . 3D tryckta porösa ställningar. Skala: 500 µm. (en) referens utan hål. (b) 1 mm porstorlek. (c) 0,60 mm porstorlek. (d), Gradient porositet 110-800 µm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 4 . Representativa spännings-töjningskurvor för 3D tryckta porösa nanocomposite hydrogel ställningar. (en) ständiga påfrestningar hastighet av 2 mm/s. (b) vid annan stam pore priser för 1 mm storlek byggnadsställning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Målet porstorlek (µm) | Genomsnittliga porstorlek (µm) | Tryckkraft modulus på 1-5% stam (MPa) | Tryckkraft modulus på 25-30% stam (MPa) |
| Referens | 0 | 0,19 ± 0,04 | 0,45 ± 0,03 |
| 1 000 | 850-1100 | 0.17 ± 0,02 | 0,2 ± 0,01 |
| 600 | 480-650 | 0.16 ± 0,01 | 0,26 ± 0,05 |
| Lutning | 110-800 | 0.16 ± 0,01 | 0,34 ± 0,04 |
Tabell 1. Komprimering data för 3D tryckta nanocomposite hydrogel ställningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 upplösning tryckta schavotten. Det kan noteras att, till skillnad från långa flexibla CNFs, styv stav som CNC kan producera bläck med högre fast innehållet på en viss viskositet på grund av frånvaron av fysiska förvecklingar14. En annan viktig aspekt som påverkar tryckbarhet är homogenitet av bläck. Det noterades att värme hydrogel bläcket vid en temperatur av 40 ° C främjar homogen blandning av CNC med fasen matris. För att ytterligare säkerställa jämnhet av hydrogel bläck, passerade den genom en serie av munstycken, börjar med den största diametern av 800 µm, sedan 600 µm och slutligen 400 µm. Under dessa pass, kan vara igensatta munstycket vilket indikerar att närvaro av stora klumpar men efter dessa passerar hydrogel bläcket extruderade utan ansträngning i form av en kontinuerlig glasfiber. Munstycke rörelsen att erhålla 3D tryckta konstruktioner är också av stor betydelse som indikeras av vårt tidigare arbete11. Munstycke vägen bör undvika repetitiva rörelser och överflödig nedfall av hydrogel bläck så att upplösningen av det 3D printet bevaras.
Porositeten erhållits i de 3D tryckta hydrogel ställningar är i intervallet acceptabel jämfört med den rikta porositeten (tabell 1). En exakt matchning förväntas inte på grund av hydrogel bläcket svullnad. Konsekvens av hydrogel bläcket är en viktig faktor särskilt när ex situ crosslinking måste göras, dvs crosslinking efter utskrift av den 3D-konstruktionen. Det noterades att hydrogel bläcket var koncentrerade tillräckligt (fast innehåll 9,9 wt %) för att bibehålla sin form, struktur och dimensioner under och efter utskriftsprocessen.
Porstorlek av ställningen spelar en viktig roll i cell interaktioner, syre diffusion och avfallshantering tillsammans med dess mekaniska egenskaper att utföra och stödja önskade funktioner. Ställningar med gradient porositet har förmågan att bättre representera de faktiska förhållandena i in vivo där celler utsätts för lager av olika vävnader med varierande hållfasthetsegenskaper22,23,34. Den porositet och mekaniska egenskaper är omvänt relaterade men sammansättningen av hydrogel ställningen kan spela en viktig roll. CNC har valts som den viktigaste ingrediensen av hydrogel bläck på grund av sin välkända mekaniska egenskaper2,35,36. Hydrogel bläcket fabricerade här, äger sin elasticitet även i närvaro av porerna, har en optimal porstorlek (110-1,100 µm) och en lämplig tryckkraft modulus (0,20-0,45 MPa) krävs för brosk regenerering ansökningar.
Komprimering tester gjordes i vatten och vid kroppstemperatur att efterlikna Invivo villkoren så mycket som möjligt. Fanns ingen torkning steg mellan 3D-utskrifter och mekanisk provning. I naturliga vävnader observeras en porositet gradient snarare än en enhetlig porstorlek. Samma sak gäller för komprimering värden för bärande naturliga vävnader, som tryckkraft modulus beror på ålder, kön och testade platsen.
Fördelen med den studie som presenteras här är att de slutliga porositet och tryckkraft elasticitetsmodul värden för 3D porösa byggnadsställning kan kontrolleras och anpassas genom hydrogel bläck sammansättning och 3D utskriftsprocessen. Detta protokoll är flexibel och kan modifieras enligt specifika krav. Den 3D-utskriften är en kraftfull teknik och kan utforskas i framtiden för att utveckla ställningar med komplexa funktioner för strukturella och sammansättning. Multi materiella dispensering kan införa revolution genom att kontrollera sammansättningen av ställningar, koncentrationen av celler eller tillväxtfaktorer, strukturella funktioner såsom riktverkan eller porositet, mekaniska egenskaper och nedbrytningshastigheten i olika delar av de 3D-konstruktioner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
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
| 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% |
References
- 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. , Elsevier. 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).
