Extrusion printing of a hydrogel material for bone tissue engineering

Ikram Mohout
In het kader van botweefsel engineering worden hydrogels geprint met behulp van een bioprinter. De focus ligt op het bestuderen van de eigenschappen van deze hydrogels enerzijds en het printproces, met het oog op de optimalisatie van de print parameters, anderzijds.

Botweefsel nodig en nergens donors te vinden? Zet de 3D bioprinter maar aan!

Jaarlijks vinden er wereldwijd meer dan 2,2 miljoen bottransplantaties plaats. Helaas kunnen er talrijke complicaties optreden, denk aan infecties of gebrek aan hechting van het botweefsel. En nog belangrijker: er is een enorm tekort aan donorweefsels.

Een nieuwe opkomende tak in de toegepaste wetenschappen die hier een antwoord op probeert te bieden is botweefsel engineering. En daarover gaat mijn thesis ‘Extrusion printing of a hydrogel material for bone tissue engineering’. Welkom in de boeiende wereld van botweefsel engineering.

In essentie is botweefsel engineering een combinatie van cellen die zich in een omgeving bevinden, vaak zogenoemde biomaterialen, dat potentieel heeft om botregeneratie te stimuleren.

Om engineered weefsel in de praktijk te brengen zijn er twee belangrijke pijlers die heel precies moeten worden uitgevoerd: enerzijds het productieproces en anderzijds het biomateriaal dat geïmplementeerd wordt. Met biomateriaal wordt een materiaal bedoelt dat interageert met biologische systemen. Op deze manier kan er een basis gelegd worden van geproduceerde structuren die hun eigenschappen voornamelijk te danken hebben aan het productieproces en de aard van het materiaal. De bekomen resultaten van deze thesis kunnen dan verder dienen als een aanzet tot het implementeren van cellen in deze structuren om zo een stap dichten te komen bij een engineered weefsel.

De focus binnen het productieproces ligt op additieve technieken, meer specifiek een extrusie gebaseerde techniek. De techniek is beter gekend onder het brede publiek als 3D printen en heeft de laatste jaren enorm aan populariteit gewonnen. Weliswaar is dit een gemodificeerde versie, in de vorm van een bioprinter die cellen kan printen, om aan de noden te voldoen van het weefsel engineering domein. In mijn thesis wordt gewerkt met de Inkredible+ Bioprinter van de Zweedse startup Cellink. Opgericht in 2016 en na amper één jaar al naar de beurs getrokken om veel geld op te halen. Het toont aan hoe snel dit domein groeit en het enorme disruptieve potentieel van deze technologie.

Gekoppeld aan het printen van constructies zoals botweefsel zijn een aantal randvoorwaarden. In eerste instantie moet de cel-omgeving biocompatibel zijn en eveneens de levensvatbaarheid en de groei van cellen stimuleren. Een tweede belangrijke vereiste is een zekere mechanische stijfheid en sterkte van de constructie, zeker voor botregeneratie. Vaak is het zoeken naar een evenwicht want wat gunstig is voor het ene is dikwijls ongunstig voor het ander. De grootste uitdaging is dus om een optimale balans te zoeken tussen deze twee factoren. De belangrijkst factoren die een invloed hebben op de mechanische en biologische eigenschappen van een constructie, in het geval van additieve technieken, zijn de print parameters en de materiaaleigenschappen van het biomateriaal. Deze vaststelling ligt aan de basis van de opbouw van de thesis.

Op vlak van biomaterialen ligt de focus uitsluitend op het gebruik van zogenoemde hydrogels. Dit zijn gehydrateerde driedimensionale netwerken van polymeerketens die een ideale omgeving blijken voor cellen. In eerste instantie zal er getest worden welke hydrogels er beschikbaar zijn en welke in aanmerkingen komen. Vervolgens wordt er een studie uitgevoerd naar de eigenschappen van de materialen, de klemtoon ligt hier vooral op de reologische eigenschappen. Reologie, van het Griekse rhei (stromen), is de tak van de natuurkunde die de stromingseigenschappen van materiaal bestudeert, denk bijvoorbeeld aan vervorming door het uitoefenen van druk. Op basis van de resultaten wordt er inzicht verkregen in hoe het materiaal zich gedraagt.

In een latere fase wordt er op zoek gegaan naar de ideale parameters voor het printen met de gekozen hydrogels, dit betreft bijvoorbeeld de printsnelheid en de uitgeoefende druk. Hier komt het voorgaande onderzoek samen om naar een 3D structuur toe te werken en deze ook effectief te realiseren.

Er is nog een lange weg te gaan naar engineered weefsel, maar we gaan een veel belovende toekomst tegemoet die het potentieel heeft om complicaties en het tekort aan donorweefsel voor miljoen patiënten op te lossen. Nog even geduld dus maar het 3D printen van weefsel en zelfs organen op maat komt er aan in een toekomst die al begonnen is.

Bibliografie

[1] C. M. Piard, Y. Chen, en J. P. Fisher, “Cell-Laden 3D Printed Scaffolds for Bone Tissue Engineering”, Clinic Rev Bone Miner Metab, vol. 13, nr. 4, pp. 245–255, dec. 2015.
[2] J. J. Sela en A. B. Itai, “Principles of bone regeneration”, Springer Science & Business Media, 2012. .
[3] H. Burchardt, “The Biology of Bone Graft Repair”, Clinical Orthopaedics & Related Research, vol. 174, pp. 28–34, apr. 1983.
[4] Y. Huang, X.-F. Zhang, G. Gao, T. Yonezawa, en X. Cui, “3D bioprinting and the current applications in tissue engineering”, Biotechnol. J., vol. 12, nr. 8, p. n/a-n/a, aug. 2017.
[5] L. Roseti e.a., “Scaffolds for Bone Tissue Engineering: State of the art and new perspectives”, Materials Science and Engineering: C, vol. 78, nr. Supplement C, pp. 1246–1262, sep. 2017.
[6] R. R. Jose, M. J. Rodriguez, T. A. Dixon, F. Omenetto, en D. L. Kaplan, “Evolution of Bioinks and Additive Manufacturing Technologies for 3D Bioprinting”, ACS Biomater. Sci. Eng., vol. 2, nr. 10, pp. 1662–1678, okt. 2016.
[7] S. V. Murphy en A. Atala, “3D bioprinting of tissues and organs”, Nature Biotechnology; New York, vol. 32, nr. 8, pp. 773–85, aug. 2014.
[8] A. Berger, “Magnetic resonance imaging”, BMJ, vol. 324, nr. 7328, p. 35, jan. 2002.
[9] A. Carlier e.a., “Computational model-informed design and bioprinting of cell-patterned constructs for bone tissue engineering”, Biofabrication, vol. 8, nr. 2, p. 025009, 2016.
[10] C. Mandrycky, Z. Wang, K. Kim, en D.-H. Kim, “3D bioprinting for engineering complex tissues”, Biotechnology Advances, vol. 34, nr. 4, pp. 422–434, jul. 2016.
[11] I. Donderwinkel, J. C. M. van Hest, en N. R. Cameron, “Bio-inks for 3D bioprinting: recent advances and future prospects”, Polymer Chemistry, vol. 8, nr. 31, pp. 4451–4471, 2017.
[12] I. T. Ozbolat en M. Hospodiuk, “Current advances and future perspectives in extrusion-based bioprinting”, Biomaterials, vol. 76, nr. Supplement C, pp. 321–343, jan. 2016.
[13] M. Guvendiren, J. Molde, R. M. D. Soares, en J. Kohn, “Designing Biomaterials for 3D Printing”, ACS Biomater. Sci. Eng., vol. 2, nr. 10, pp. 1679–1693, okt. 2016.
[14] A. Panwar en L. P. Tan, “Current Status of Bioinks for Micro-Extrusion-Based 3D Bioprinting”, Molecules, vol. 21, nr. 6, p. 685, mei 2016.
[15] S. Ji en M. Guvendiren, “Recent Advances in Bioink Design for 3D Bioprinting of Tissues and Organs”, Front Bioeng Biotechnol, vol. 5, apr. 2017.
[16] W. Aljohani, M. W. Ullah, X. Zhang, en G. Yang, “Bioprinting and its applications in tissue engineering and regenerative medicine”, International Journal of Biological Macromolecules, sep. 2017.
[17] J. Jia e.a., “Engineering alginate as bioink for bioprinting”, Acta Biomaterialia, vol. 10, nr. 10, pp. 4323–4331, okt. 2014.
[18] K. Yue, G. Trujillo-de Santiago, M. M. Alvarez, A. Tamayol, N. Annabi, en A. Khademhosseini, “Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels”, Biomaterials, vol. 73, pp. 254–271, dec. 2015.
[19] D. B. Kolesky, R. L. Truby, A. S. Gladman, T. A. Busbee, K. A. Homan, en J. A. Lewis, “3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs”, Adv. Mater., vol. 26, nr. 19, pp. 3124–3130, mei 2014.
[20] E. M. Ahmed, “Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review”, Journal of Advanced Research, vol. 6, nr. 2, pp. 105–121, mrt. 2015.
[21] W. E. Hennink en C. F. van Nostrum, “Novel crosslinking methods to design hydrogels”, Advanced Drug Delivery Reviews, vol. 64, nr. Supplement, pp. 223–236, dec. 2012.
[22] H. Jeong Yoon e.a., Cold Water Fish Gelatin Methacryloyl Hydrogel for Tissue Engineering Application, vol. 11. 2016.
[23] C.-H. Yao, B.-S. Liu, C.-J. Chang, S.-H. Hsu, en Y.-S. Chen, “Preparation of networks of gelatin and genipin as degradable biomaterials”, Materials Chemistry and Physics, vol. 83, nr. 2, pp. 204–208, feb. 2004.
[24] X. Chen e.a., “Fabrication of gelatin methacrylate/nanohydroxyapatite microgel arrays for periodontal tissue regeneration”, International Journal of Nanomedicine, 14-sep-2016. [Online]. Beschikbaar op: https://www.dovepress.com/fabrication-of-gelatin-methacrylatenanohydrox….
[25] S. Wüst, M. E. Godla, R. Müller, en S. Hofmann, “Tunable hydrogel composite with two-step processing in combination with innovative hardware upgrade for cell-based three-dimensional bioprinting”, Acta Biomaterialia, vol. 10, nr. 2, pp. 630–640, feb. 2014.
[26] J. Malda e.a., “25th Anniversary Article: Engineering Hydrogels for Biofabrication”, Adv. Mater., vol. 25, nr. 36, pp. 5011–5028, sep. 2013.
[27] K. Hölzl, S. Lin, L. Tytgat, S. V. Vlierberghe, L. Gu, en A. Ovsianikov, “Bioink properties before, during and after 3D bioprinting”, Biofabrication, vol. 8, nr. 3, p. 032002, 2016.
[28] T. Billiet, E. Gevaert, T. De Schryver, M. Cornelissen, en P. Dubruel, “The 3D printing of gelatin methacrylamide cell-laden tissue-engineered constructs with high cell viability”, Biomaterials, vol. 35, nr. 1, pp. 49–62, jan. 2014.
[29] A. Blaeser, D. F. Duarte Campos, U. Puster, W. Richtering, M. M. Stevens, en H. Fischer, “Controlling Shear Stress in 3D Bioprinting is a Key Factor to Balance Printing Resolution and Stem Cell Integrity”, Adv. Healthcare Mater., vol. 5, nr. 3, pp. 326–333, feb. 2016.
[30] Y. He, F. Yang, H. Zhao, Q. Gao, B. Xia, en J. Fu, “Research on the printability of hydrogels in 3D bioprinting”, Scientific Reports, vol. 6, p. 29977, jul. 2016.
[31] “Inkredible+ User Manual”. Cellink.
[32] “CELLINK Start ~ Bioinks”, CELLINK, 06-sep-2016. [Online]. Beschikbaar op: https://cellink.com/product/cellink-start-2/.
[33] S. B. Ross-Murphy, “Structure and rheology of gelatin gels: recent progress”, Polymer, vol. 33, nr. 12, pp. 2622–2627, jan. 1992.
[34] “Gelatin”, Sigma-Aldrich. [Online]. Beschikbaar op: https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/biofiles/gela….
[35] “Hydroxyapatite 677418”, Sigma-Aldrich. [Online]. Beschikbaar op: https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/677418.
[36] “Differential scanning calorimetry”. [Online]. Beschikbaar op: https://www.mtm.kuleuven.be/equipment/diffscan/diffscan.
[37] “Hirox Europe Ltd | Products | Digital Microscope KH-8700”. [Online]. Beschikbaar op: http://www.hirox-europe.com/products/microscope/index8700.html.
[38] KU Leuven, “SMaRT MCR501 (Anton Paar)”. [Online]. Beschikbaar op: https://cit.kuleuven.be/smart/infrastructure/documents/mcr501.pdf.
[39] S. YDK, “User’s Manual, p. 104.
[40] “TESCAN | VEGA3”. [Online]. Beschikbaar op: https://www.tescan.com/en-us/technology/sem/vega3.
[41] “FLIR A300 (30Hz) - 48201-1001 - FLIR Systems - IP Thermography Camera - 320x240 Resolution - 25°(H) × 18.8°(V) FOV - MPEG-4 Streamed Video - Multiple Lens Options”. [Online]. Beschikbaar op: http://www.flircameras.com/flir_a-series_a300.htm.
[42] “MARTEL306 manual”. [Online]. Beschikbaar op: https://www.instrumart.com/assets/MARTEL306_manual.pdf.
[43] N. Stojilovic, “Why Can’t We See Hydrogen in X-ray Photoelectron Spectroscopy?”, J. Chem. Educ., vol. 89, nr. 10, pp. 1331–1332, sep. 2012.
[44] “2012 DSC Brochure”. [Online]. Beschikbaar op: http://www.tainstruments.com/pdf/brochure/2012%20DSC%20Brochure%20r1.pdf.
[45] T. Instruments en D. Wylie, “Universal Analysis Getting Started Guide”, p. 28.
[46] C. Yan en D. J. Pochan, “Rheological properties of peptide-based hydrogels for biomedical and other applications”, Chem. Soc. Rev., vol. 39, nr. 9, pp. 3528–3540, aug. 2010.
[47] J. V. David Strutt, “The Role of Rheology in Polymer Extrusion”, ResearchGate. [Online]. Beschikbaar op: https://www.researchgate.net/publication/266472193_The_Role_of_Rheology…..
[48] “Rheology applications note, the principles and applications of the Cox-Merz rule”. TA Instruments, Inc.
[49] F. A. Morrison, Understanding Rheology. Oxford University Press, 2001.
[50] F. A. Osorio, E. Bilbao, R. Bustos, en F. Alvarez, “Effects of Concentration, Bloom Degree, and pH on Gelatin Melting and Gelling Temperatures Using Small Amplitude Oscillatory Rheology”, International Journal of Food Properties, vol. 10, nr. 4, pp. 841–851, okt. 2007.
[51] “Nordson Piston, 5”. [Online]. Beschikbaar op: https://www.hisco.com/Manufacturers/Nordson/Adhesives-Sealants-Tapes/Di….
[52] “400 Series Syringe Pistons”. [Online]. Beschikbaar op: https://www.adhesivedispensing.net/400_Series_Syringe_Pistons_s/120.htm.
[53] “Meerstetter - TEC / Peltier Element Design Guide | Compendium”. [Online]. Beschikbaar op: https://www.meerstetter.ch/compendium/tec-peltier-element-design-guide.
[54] E. Fylladitakis, “Battle of The CPU Stock Coolers! 7x Intel vs 5x AMD, plus an EVO 212”. [Online]. Beschikbaar op: https://www.anandtech.com/show/10500/stock-cooler-roundup-intel-amd-vs-….
[55] “Arduino Nano Pinout & Schematics - Complete tutorial with pin description”. [Online]. Beschikbaar op: http://www.circuitstoday.com/arduino-nano-tutorial-pinout-schematics.
[56] Texas Instruments, “LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors datasheet”. [Online]. Beschikbaar op: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf.
[57] M. L. G. Sr en M. George, Lean Six Sigma for Service: How to Use Lean Speed and Six Sigma Quality to Improve Services and Transactions. McGraw Hill Professional, 2003.
[58] B. Clarke, “Normal Bone Anatomy and Physiology”, CJASN, vol. 3, nr. Supplement 3, pp. S131–S139, jan. 2008.
[59] A. E. Oestreich, “The Two Types of Bone Formation”, in Growth of the Pediatric Skeleton, Springer, Berlin, Heidelberg, 2008, pp. 1–5.
[60] J.-Y. Rho, L. Kuhn-Spearing, en P. Zioupos, “Mechanical properties and the hierarchical structure of bone”, Medical Engineering & Physics, vol. 20, nr. 2, pp. 92–102, mrt. 1998.
[61] “BBC - GCSE Bitesize: Bone growth”. [Online]. Beschikbaar op: http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/pe/appliedanatomy/2_anatomy_s….
[62] CENGEL, Yunus A., et al., Fundamentals of thermal-fluid sciences. . New York, NY: McGraw-Hill, 2008.
[63] “Air Properties”. [Online]. Beschikbaar op: https://www.engineeringtoolbox.com/air-properties-d_156.html.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de industriële wetenschappen: elektromechanica, manufacturing engineering
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. dr. Eleonora Ferraris
Kernwoorden
Share this on: