Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

3D печать пористых целлюлозы нанокомпозитных гидрогеля подмости

Published: April 24, 2019 doi: 10.3791/59401

Summary

Три критических шагов этого протокола i) разработки правильный состав и последовательность целлюлозы гидрогеля чернил, ii) 3D печать лесов в различные поры структур с хорошей форме верности и размеры и iii) демонстрация механические свойства в органом имитируемых условиях для регенерации хряща.

Abstract

Эта работа демонстрирует использование трехмерных (3D) печати для производства пористых кубических леса с использованием чернил гидрогеля нанокомпозитных целлюлозы, с контролируемой поровой структуры и механических свойств. Нанокристаллов целлюлозы (зато, 69.62 wt %) чернила на основе гидрогеля с матрицей (альгинат натрия и желатин) была разработана и 3D напечатаны на подмости с единой и градиентные поровой структуры (110-1100 мкм). Подмости показан модуль сжатия в пределах 0,20-0,45 МПа при испытании в моделируется в естественных условиях условий (в дистиллированной воде при 37 ° C). Размер поры и сжатия модуль 3D подмостей, совпадают с требованиями, необходимые для приложений регенерации хряща. Эта работа показывает, что однородность чернил может управляться концентрация прекурсоров и пористость может управляться процесс 3D печати и оба этих фактора в свою очередь определяет механические свойства 3D печати пористые Гидрогель эшафот. Таким образом, этот процесс метод может использоваться для изготовления структурно и композиционно заказной леса согласно конкретным потребностям пациентов.

Introduction

Целлюлозы – это полисахарид, состоящий из линейной цепи β единиц связанного D-глюкоза (1-4). Это наиболее распространенных природных полимеров на земле и добывается из целого ряда источников, включая морских животных (например, оболочники), растений (например, дерево, хлопок, солома) и бактериального происхождения, например водорослей (например, Валония), грибов и даже амебы (простейшие )1,2. Нановолокна целлюлозы (ГОК) и нанокристаллов (CNC) целлюлозы с по крайней мере одно измерение на наноуровне получаются путем механической обработки и кислотного гидролиза из целлюлозы. Они не только обладают свойствами целлюлозы, как потенциал для химической модификации, низкой токсичности, биосовместимость, биологически и возобновляемых, но он также имеет наноразмерных характеристик как высокой удельной площади поверхности, высокие механические свойства , реологических и оптические свойства. Эти привлекательные свойства сделали CNFs и зато подходит для биомедицинских приложений, главным образом в виде трехмерной (3D) гидрогеля помостами3. Эти строительные леса требуют индивидуальные размеры с контролируемой пористую структуру и взаимосвязанных пористость. Наша группа и другие сообщили 3D пористых целлюлозы нанокомпозитов, подготовленные путем литья, electrospinning и паром для лиофильной сушки4,5,6,,78. Однако, контроль на пористую структуру и изготовление сложной геометрии не достигается за счет этих традиционных методов.

3D печать — это метод аддитивного производства, в котором 3D объекты создаются слой за слоем через управляемый компьютером осаждения чернила9. Преимущества 3D печати через традиционные техники включает в себя свободу дизайна, контролируемые макро и микро размеров, изготовление сложных архитектур, настройки и воспроизводимость.  Кроме того 3D печать CNFs и зато также предлагает сдвига индуцированной рядов наночастиц, предпочитали направленность, градиент пористости и может быть легко расширен для 3D подложке10,11,12, 13 , 14 , 15. Недавно, динамика зато был выравнивания во время 3D печать сообщила16,17. Достижения в области подложке должны включить 3D печатных тканей и органов, несмотря на участие вызов как выбор и концентрация живых клеток и факторов роста, состав чернил перевозчика, печать давления и диаметры сопла18 ,19,20.

Пористость и прочность хряща регенеративные подмостей являются важными свойствами, которые диктует его эффективности и производительности. Размер пор играет важную роль для адгезии, дифференциации и пролиферации клеток, а также для обмена питательных веществ и метаболические отходы21. Однако существует нет определенной поры, который можно рассматривать как идеальное значение, некоторые исследования показали выше отпорности с меньше поры, в то время как другие показали лучше регенерации хряща с большие поры. Macropores (< 500 мкм) облегчить минерализации тканей, снабжения питательными веществами и удаления отходов, а микропоры (150-250 мкм) облегчает клеток привязанность и лучше механических свойств22,23. Имплантированные леса должны иметь достаточную механическую целостность от времени обработки, имплантации и до завершения ее желаемой цели. Совокупный Модуль сжатия для естественных суставного хряща, как сообщается, находится в диапазоне 0,1-2 МПа в зависимости от возраста, пола и проверяемом месте4,24,25,26,27 ,,2829.

В нашей предыдущей работы113D печать был использован для изготовления пористые bioscaffolds двойной высокоструктурированные взаимопроникающих полимерных сети (IPN) из гидрогеля чернил, содержащего усиленные зато в матрице альгината натрия и желатина. 3D печать путь был оптимизирован для достижения 3D подмости с единой и градиентные поровой структуры (80-2125 мкм) где нанокристаллов предпочтительно ориентироваться в направление печати (степень ориентации между 61-76%). Здесь, мы представляем продолжение этой работы и демонстрирует, что влияние пористости на механические свойства 3D печати гидрогеля леса в органом имитируемых условиях. Зато, используемый здесь, ранее сообщили нам быть cytocompatible и нетоксичен (т.е. рост клеток после 15 дней инкубации было подтверждено30). Кроме того леса подготовлен через Плаурайта же зато, альгинат натрия и желатин показали высокую пористость, высокое поглощение фосфатный буфер и cytocompatibility сторону мезенхимальных стволовых клеток5. Цель этой работы заключается в демонстрации обработки чернила гидрогеля, 3D печать пористых строительных лесов и сжатия. Схемы обработки маршрут показан на рисунке 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка прекурсоров

  1. Подготовка целлюлозы нанокристаллов подвеска
    Примечание: Изоляция целлюлоза нанокристаллов осуществляется согласно процедуре, сообщил Мэтью,30и др.
    1. Разбавить 17 wt % суспензия целлюлозы нанокристаллов 2 wt %, добавляя дистиллированную воду сделать общий объем 2 л смеси, тщательно с использованием ультра sonication и использования небольших партий (250-300 мл) для эффективного смешивания.
    2. Пройти sonified подвеска через гомогенизатор 10 раз при давлении 500-600 бар. На данный момент получается густой прозрачный гель 2 wt % целлюлозы нанокристаллов.
    3. Концентрат 2 wt % целлюлозы, которые нанокристаллов гель 11 wt % через centrifugations на 24.500 x g для 1,5 ч. Decant воды между каждые 30 мин.
      Примечание: Эксперимент может быть приостановлена здесь.
  2. Подготовка матрицы фаз
    1. Подготовьте однородный раствор 6 wt % натрия альгината (SA) в дистиллированной воде при 60 ° C при непрерывном помешивании.
    2. Подготовьте однородный раствор 12 wt % желатина (гель) в дистиллированной воде при 60 ° C при непрерывном помешивании.
      Примечание: Подготовить объемом 20 мл для матрицы решений и хранить в холодильнике.
  3. Подготовка сшиватели
    1. Приготовляют раствор хлорида 3 wt % кальция в дистиллированной воде при комнатной температуре при непрерывном помешивании.
    2. Приготовляют раствор 3 wt % глютаральдегид в дистиллированной воде при комнатной температуре при непрерывном помешивании.
      Примечание: Подготовить объемом 50 мл для сшивки решений и хранить при комнатной температуре. Обратитесь к Таблице материалы для поставщиков информации. Эксперимент может быть приостановлена здесь.

2. Подготовка гидрогеля чернил

  1. Подготовить 40 мл гидрогеля чернил в контейнер из полистирола, смешивая 11 wt % CNC, 6 wt % SA и 12 wt % гель для получения влажной (wt %) Композиция с ЧПУ/SA/гель/вода: 6.87/1.50/1.50/90.12.
  2. Нагрейте смесь до 40 ° C и перемешайте с помощью шпателя до получения гладкой пасты.
  3. Передача смеси в 60 мл шприц. Передайте смесь через серию сопла с различными диаметрами в другой 60 мл шприц, с помощью механического зажима. Повторите процесс, пока не получены плавно экструдированных нитей гидрогеля чернил. Начните с сопла с большим диаметром 800 мкм, следуют 600 мкм и 400 мкм.
  4. Аккуратно центрифуги (4000 x g) шприц заполнены чернилами Гидрогель для удаления воздуха в ловушке.
    Примечание: Эксперимент может быть приостановлена здесь.

3. Измерение реологических свойств Гидрогель

NTE: Выполнить реологических свойств с помощью Гладкая геометрия конуса о пластины, CP25-2-SN7617, диаметр 25 мм, 2 ° Номинальный угол и высота разрыв 0.05 мм при 25 ° C.

  1. Включите Реометр, воздушный компрессор и блок управления температуры. Инициализируйте программного обеспечения.
  2. Маунт измерительный инструмент в Реометр и задать нулевой зазор.
  3. Примерно 1 мл гидрогеля чернил на платформу Реометр выдавливания.
  4. Измерения вязкости в зависимости от скорости сдвига. Выберите диапазон коэффициента сдвига от 0,001 до 1000.
  5. После того, как делается измерение, очистить Реометр платформы и измерительный инструмент. Выдавить 1 мл чернил свежие гидрогеля снова на платформе Реометр.
  6. Измерить хранения модулей (G′) и потери модули (G″) как функцию касательное напряжение с частотой 1 Гц. выберите касательное напряжение диапазон от 10-3 до 107.
  7. После завершения тестов, скопируйте данные в текстовый файл и печать реологические кривые в логарифмическом масштабе.

4. файл подготовка для 3D печати

Примечание: Cura 2.4.0 программное обеспечение используется для проектирования 3D подмостей (320 мм), наличие трех типов поры. 1-uniform поры 0,6 мм, 2-форма поры 1,0 мм и 3-градиент поры диапазона 0,5-1 мм.

  1. Скачать файл стереолитографии (stl) сплошной куб из thingsinverse.com и откройте файл в Кура.
  2. Нажмите кнопку Загрузить модель и переместить его в X/Y/Z: 0/0/0 мм. Нажмите кнопку масштаб, снимите флажок для единообразного масштабирования и задать размеры по X/Y/Z: 20/20/20 мм. Нажмите повернуть и вращать куб, 45 °, в плоскости XY.
  3. В боковой панели, в сопло и материалвыберите 0,4 мм и вставьте профиль. Выберите полный Discov3ry в качестве принтера.
  4. В боковой панели выберите Custom для Настройка печати. В разделе качество введите 0,2 мм для всех подраздела. В разделе Shell введите 0 мм для всех подраздела. В разделе материал введите температура 26 ° C, 1 мм диаметр и 100% поток. В разделе скорость введите 30 мм/сек Скорость печати и 120 мм/с, а Скорость передвижения. В разделе поддержки снимите флажок Включить поддержку. В разделе Построение пластина сцепления выберите юбка, введите 3 мм, как Юбка расстояние и 150 мм как юбка/Брим минимальная длина.
  5. Для леса с единой поры введите 0,6 или 1 мм Расстояние линии заполнения и выберите Шаблон заполнения сетки.
  6. Для градиента пористость подмостей объединения и группировки инструмент используется. Щелкните правой кнопкой мыши загружаемой модели, выберите Несколько моделей, введите 2 и нажмите OK. Каждая модель как X/Y/Z: 20/20/7 мм. место модели друг на друга. Введите Расстояние линии заполнения как 0,3, 0,5 и 0,7 мм для нижней, средней и верхней модели, соответственно. Выберите все три модели (Ctrl + A), щелкните правой кнопкой мыши и выберите Группы модели.
  7. Сохранение модели на карте уверен Digital (SD). Кура автоматически сохранить файл как gcode, которое читается с принтером.

5. 3D печати пористых строительных лесов

  1. Вставьте держатель сопла подводящего патрубка и 400 мкм сопла к нему подключиться. Уровень пластину построения получить правильное расстояние между пластины сборки и сопла.
  2. Загрузить центрифугировали шприца в патрон и подключите его к другой стороне подводящего патрубка.
  3. Вставьте SD-карту в принтер, выберите очистить быстро и начать очистку гидрогеля чернил, до тех пор, пока он начинает выталкивать из сопла. Продолжить очистку для 2-3 минут до получения однородного потока.
  4. С SD-карты выберите сохраненные файлы для единой и градиентные пористость подмостей и начать печать. Держите глаза на скорость экструзии. При необходимости, настройте скорость и потока скорость соответственно. Для меньшего размера пор используйте быстрее скорость в сочетании с низким расходом (50 мм/с и 70%).
    Примечание: Не прикасайтесь 3D печатной подмостей.

6. сшивки 3D печати подмости

  1. После завершения 3D печать, осторожно добавьте капель 3 wt % CaCl2 леска до тех пор, пока она становится полностью мокрой. Подождите 5 мин.
  2. Очень внимательно передать леска из принтера в 50 мл контейнер с 3 wt % CaCl2. Оставьте его на ночь.
  3. Тщательно промыть дистиллированной водой и передать в 50 мл контейнер с 3 wt % глютаральдегид эшафот. Оставьте его на ночь.
  4. Тщательно мыть и хранить 3D печатной леску в дистиллированной воде.

7. сжатие тестирование

Примечание: Выполните сжатие тесты с 100 Датчик нагрузки N в воде при температуре 37 ° C.

  1. Заполните контейнер оборудован погружной сжатия плиту с 2 Л воды и запуск системы отопления до 37 ° C.
  2. Инициализация Bluehill универсального программного обеспечения и настроить метод тестирования. Выберите геометрию прямоугольного образца и выберите возможность ввести размеры перед тестированием каждого образца.  Установка скорости деформации до 2 мм/мин и в конце результат как 80% сжимающие напряжения вместе с 90 N силы.
  3. В разделе измерения выберите силы, перемещения, напряжений и сжимающие напряжения. Выберите параметр, чтобы экспортировать данные в виде текстовых файлов для построения будущего.
  4. Установить нулевую точку расширения с помощью элементов управления пробежку снизить крейцкопфа пластину как можно ближе к Монтажная плита.
  5. Оценивать и учитывать размеры образцы для их испытания.
  6. Когда температура воды достигает до 37 ° C, поместите образец на опорной плите.  Закрепите образца, перемещая крейцкопфа пластины, так что она начинает касаться образца.
  7. Переместить водяной бане вверх, таким образом, чтобы пластины с образца между ними погружены в воду.
  8. Введите имя образца и размеры. Запустите тест.
  9. После завершения теста, сначала переместить водяной ванны вниз и затем поднимите пластину крейцкопфа.
  10. Удаление образца и его части, если таковые имеются, очистите обе пластины и загрузки нового образца.
  11. После того, как все образцы тестируются, экспорт необработанных данных. Заговор против сжимающие напряжения кривых напряжений и определить модуль сжатия касательной при значениях напряжения 1-5% и 25-30%.
    Примечание: Место градиента Куба таким образом, что большие отверстия сталкиваются Канцтовары Монтажная плита.
    Сначала закрепите леску между ручки и затем запустить/остановить измерение.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Зато на основе нанокомпозитных гидрогеля чернил показывает сильный неньютоновских ножниц прореживания поведение(рисунок 2). Очевидной вязкость 1.55 × 10-5 Pa.s на скорости сдвига низкой (0.001 s-1) падает на пять порядков значение 22.60 Pa.s на скорости сдвига 50 s-1 (≈50 s-1 будучи скорости типичный сдвига, опытный во время 3D печати)31 . Гидрогель чернила экспонатов вязкоупругих твердых поведение, как модуль хранения G' (4.42 × 107 ПА) является на порядок больше, чем потери модуль G'' (8,26 × 106 ПА) на низкое напряжение сдвига, со значением стресс определенных динамических выхода (G'= G'') 5.59 × 104 ПА (рис. 2b). 3D печать пористых нанокомпозитных гидрогеля, леса находятся в показано на рисунке 3. Для всех печатных подмости форма и размеры очень хорошо сохраняются после печати, а также после двойной сшивки. Размеры пор подмостей, 110-1100 мкм, находятся в диапазоне от 100-400 мкм, которая считается эталоном для регенерации хряща32.

В режиме сжатия были протестированы 3D печатной подмостей. Это предпочтительный режим механических испытаний материалов хряща, потому что роль естественных хряща, чтобы выдержать нагрузки на сжатие. Чтобы имитировать условия в естественных условиях, подмостки были протестированы в воде при температуре 37 ° C. В таблице 1 и на рисунке 4 представляет сжатия данных, полученных для различных пористых нанокомпозитных гидрогеля подмостей на скорости деформации 2 мм/мин. Скоростью (1-5%), низкое напряжение Модуль сжатия (~ 0,17 МПа) более или менее одинакова для всех типов пористых строительных лесов. Это показывает, что упругие характер гидрогеля чернил сохраняется даже в местах macropores. Однако по ставкам высокого напряжения (25-30%), модуль высоким 0,45 МПа получается для ссылки леску с пористость отсутствует. Однако как только увеличивает размер пор, модуль уменьшается, за счет снижения плотности указанием ожидаемых отношений между пористость подмостей и соответствующие механические свойства. В случае градиента пористых строительных лесов модуль является выше (0,34 МПа) по сравнению с единой пористых подмостей (0.20 и 0.26 МПа) из-за наличия меньшего размера поры и более прочные стены. Кроме того модуль сжатия 3D гидрогеля лесов увеличивается как увеличивает скорость сжатия (Рисунок 4b), имитируя вязкоупругости естественных хрящевой ткани, которая считается благоприятным для нагрузки и выставки подшипник помостами33. Модуль сжатия 0,20 МПа на скорости деформации 2 мм/мин увеличивается до 0,35 МПа в 5 мм/мин и далее увеличивается до 0.47 МПа в 120 мм/мин и находится в диапазоне сообщил для естественных хряща (то есть, Модуль сжатия 0,1-2 МПа).

Figure 1
Рисунок 1 . Схема обработки маршрута. () подготовка нанокомпозитных гидрогеля чернил. (b) 3D печати пористых строительных лесов. (c) двойной сшивки 3D печати подмостей. (d) сжатие тестирование 3D пористых строительных лесов в воде при температуре 37 ° C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 . Log-log – участки нанокомпозитных гидрогеля чернил.) вязкость против сдвига и (b) G' и G'' против касательное напряжение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 . 3D печати пористых подмостей. Масштаб: 500 мкм. () ссылка с без отверстий. (b) размер пор 1 мм. (c) размер пор 0,60 мм. (d) градиента пористость 110-800 мкм. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4 . Представитель напряженно деформированного кривых для 3D напечатаны пористых нанокомпозитных гидрогеля подмостей. () на постоянной деформации скоростью 2 мм/с. (b) в различных штамма тарифы на 1 мм поры размер эшафот. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Целевой размер поры (мкм) Размер средней поры (мкм) Модуль сжатия в 1-5% деформации (МПа) Модуль сжатия при 25-30% деформации (МПа)
Ссылка 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
Градиент 110-800 0,16 ± 0,01 0.34 ± 0,04

Таблица 1. Сжатие данных для 3D печати нанокомпозитных гидрогеля подмостей.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

3D печать требует подходящей реологических свойств чернил гидрогеля. Высокая вязкость краски потребует экстремальные давления для его экструзии при низкой вязкости краски не будет поддерживать свою форму после экструзии. Вязкости краски, гидрогеля может управляться через концентрацию ингредиентов. По сравнению с нашей предыдущей работы11содержание твердых чернил гидрогеля увеличивается от 5,4 до 9,9 wt % приводит в концентрированной гидрогеля чернил, которая помогает улучшить резолюции печатных эшафот. Следует отметить, что, в отличие от длинные гибкие CNFs, жесткий стержень как зато может производить краски с более твердых содержимое в заданной вязкостью из-за отсутствия физических заграждений14. Еще одним важным аспектом, который влияет на печатными свойствами является однородность чернил. Было отмечено, что Отопление гидрогеля чернил при температуре 40 ° C способствует равномерного смешивания зато с этапа матрицы. Для дальнейшего обеспечения гладкость чернил гидрогеля, он был принят через серию сопла, начиная с крупнейших диаметром 800 мкм, а затем 600 мкм и наконец 400 мкм. Во время этих проходов можно забиты сопла, который указывает присутствия больших комков, но после этих проходов, гидрогеля чернила экструдированный легко в виде непрерывной нити. Сопло движение для получения 3D печатной конструкции также имеет большое значение как указывалось в наших предыдущих работы11. Сопло пути следует избегать повторяющихся движений и избыточного осаждения гидрогеля чернил таким образом, чтобы разрешение 3D печати сохраняется.

Пористость, полученные в 3D печатной гидрогеля лесов находится в допустимых пределах по сравнению с целевых пористость (Таблица 1). Точное совпадение нельзя ожидать, что ввиду отек характер гидрогеля чернил.  Однородность чернил гидрогеля является важным фактором, особенно когда ex-situ сшивки должно быть сделано, то есть сшивки после печати 3D конструкции. Было отмечено, что чернила гидрогеля было сосредоточено достаточно (твердое содержание 9.9 wt %) чтобы сохранить ее форму, структуру и размеры, во время и после процесса печати.

Размер пор лесов играет важную роль в ячейке взаимодействий, диффузии кислорода и удаления отходов вместе с его механические свойства, выполнять и поддерживать нужную функциональность. Подмости с градиента пористости имеют возможность лучше представляют реальных условий в естественных условиях, где клетки подвергаются слои различных тканей с различной структурных свойств22,23,-34. Пористость и механические свойства связаны обратно, но состав гидрогеля леса могут играть важную роль. Зато была выбрана в качестве основной ингредиент гидрогеля чернил из-за своих известных механических свойств по2,35,36. Гидрогель чернила сфабрикованы здесь, обладают эластичность даже в местах поры, имеет оптимальную поры (110-1100 мкм) и подходящий модуль сжатия (0,20-0,45 МПа) требуется для приложений регенерации хряща.

Сжатие тестирования было сделано в воде и при температуре тела, чтобы имитировать в естественных условиях условия как можно больше. Существует нет сушки шаг между 3D печати и механические испытания. В натуральных тканях пористость градиент наблюдается вместо одного единого поры. То же самое верно для сжатия значений несущей натуральных тканей, как модуль сжатия зависит от возраста, пола и проверяемом месте.

Преимущество с исследования, представленные здесь, что окончательный пористости и модуль сжатия значения 3D пористых эшафот можно контролировать и настроены через чернил состав гидрогеля и 3D процесс печати. Этот протокол является гибкой и может быть изменен в соответствии с конкретными требованиями. 3D-печати – это мощный метод и могут быть изучены в будущем развивать подмости с сложных структурных и композиционные особенности. Multi материала дозирования может ввести революции, контролируя состав подмости, концентрация клеток или факторы роста, структурных функций, таких как направленность или пористость, механические свойства и степень деградации в различных части 3D конструкций.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Это исследование финансируется Alice Валленберга фонда (Валленберга древесины научный центр), Шведский исследовательский совет, VR (Bioheal, DNR 2016-05709 и DNR 2017-04254) и кнут.

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

Биоинженерия выпуск 146 3D печать нанокристаллов целлюлозы гидрогеля пористых строительных лесов биомедицинских приложений Модуль сжатия
3D печать пористых целлюлозы нанокомпозитных гидрогеля подмости
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