3D trykt porøse Cellulose Nanocomposite Hydrogel stillaser

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 Frysetørring^4,5,6,7,8. 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 bioprinting^{10,11,12, 13 , 14 , 15}. nylig dynamikken i CNCs justering under 3D utskrift har vært rapportert^16,17. 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 diameter^{18 ,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 egenskaper^22,23. 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 sted^{4,24,25,26,27 ,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.

Protocol

1. forberedelse av prekursorer Utarbeidelse av cellulose nanokrystaller suspensjonMerk: Isolering av cellulose nanokrystaller gjøres i henhold til prosedyren rapportert av Mathew, et al30. 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. Passere sonified suspensjon gjennom homogenizer 1…

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 lagrin…

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 …

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%