Wood-Derived Functional Biomaterials towards 3D Bioprinting
Wang, Qingbo (2024-09-20)
Åbo Akademi - Åbo Akademi University
20.09.2024
Kappa & artikkeli III: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty. Artikkelit I & II: CC BY. Artikkeli IV: CC BY-NC-ND
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4403-2
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4403-2
Tiivistelmä
Bioprinting utilizes the advantages of 3D printing technologies to fabricate cell-laden structures with various biomaterials that mimic the structure and function of natural tissues and greatly promote the development in the fields of tissue engineering and regenerative medicine. The capacity of wood-derived polymers has been well demonstrated in the field of 3D printing. Even though they present great biocompatibility, their application in bioprinting has not been extensively developed yet. The main reason is that wood-derived polymers can not be well integrated into the bioink system and that they lack biofunctionality.
This thesis focused on the incorporation of functionalized wood-derived biomaterials, mainly nanocellulose and hemicellulose, in the bioink systems for bioprinting. The thesis aims to leverage the unique properties of these wood-derived materials for 3D printing, and further address the challenges to achieve bioprinting. This research journey involves mainly two light-based 3D printing techniques: extrusion-based and digital light processing (DLP) printing. According to the unique properties of wood-derived polymers, a series of chemical modifications were conducted to meet the demand for different types of light-based 3D printing technologies. A methacryloyl gelatin (GelMA) and dextran-based aqueous two-phase emulsion (ATPE) system was used to formulate macropore-forming bioinks in this thesis. The functionalized wood-derived polymers could overcome the drawbacks of the ATPE bioink systems and leverage their own strength, thus effectively bringing out the best features of wood-based polymers.
During the progress of this thesis, rheological analysis of the bioinks provided crucial information, such as flow behavior and crosslinking kinetics, to guide the printing process. The rheological results also offered insights into the interaction between different polymers within the bioinks. Biocompatibility assays were conducted on the cell-laden hydrogels, highlighting the role of wood-derived materials in supporting and promoting cellular activity. Moreover, the designed wood-derived polymers demonstrated their potential to stimulate cell differentiation, which is critical for the increasing demand for customized bioinks.
Firstly, inks composed of cellulose nanofibrils with neutral or negative surface charge groups and photo-crosslinkable polymers, either protein or polysaccharide-based, were formulated for light-assisted extrusion-based 3D printing. Rheological analysis was used to characterize the intermolecular interactions between two types of cellulose nanofibrils and two types of photo-crosslinkable polymers under phosphate-buffered saline (PBS) or water environments.
An all-wood-derived photoresin composed of thiolated nanocellulose and methacrylated hemicellulose was designed for DLP printing. The printed hydrogels could be degraded through enzymatic hydrolysis in PBS at 37 °C and showed potential for controlled release of therapeutic ions. The as-synthesized thiolated nanocellulose showed the potential to function as a nanorod crosslinker in photoresin design with other polymers with -ene groups.
By utilizing photo-crosslinkable hemicellulose as a bio-glue, we proposed a novel bioresin formulation based on the ATPE system for one-step bioprinting of high poros microgel-based hydrogels. A high porosity facilitates cell spreading and mass transfer. This method simplifies the bioprinting process, reducing the complexity and time required to fabricate microgel-based cell-laden hydrogels.
Lastly, we introduced phosphorylated cellulose nanofibrils (pCNF) as a multifunctional additive to enhance the ATPE-based bioinks. The incorporation of pCNF in the ATPE system improved the physiochemical properties of the bioinks, but also enhanced the biological performance, transforming the bioprinted hydrogels into a suitable platform for engineering in vitro bone models.
In summary, in this work, we developed sustainable, and potentially cost-effective wood-derived biomaterials for bioink development. The design of the bioinks shows the potential of wood-derived biomaterials in bioprinting and contributes to the development of the field of biofabrication. Bioprintning använder fördelarna hos 3D printtekniker för att framställa cell-laddade strukturer av olika biomaterial som efterliknar naturliga vävnaders struktur och funktion, vilket i sin tur främjar utvecklingen inom områden som vävnadsteknik och regenerativ medicin. Kapaciteten för träbaserade polymerer inom 3D printning är väldokumenterad. Även om dessa polymerer har en stor biokompabilitet, har deras tillämpning inom bioprintning ännu inte utvecklats i omfattande grad. Huvudorsaken till detta är att polymererna inte kan integreras tillräckligt bra i biobläcket och att polymererna saknar biologisk funktion.
Denna avhandling fokuserade på införlivande av funktionaliserade träbaserade biomaterial, i huvudsak nanocellulosa och hemicellulosa, i biobläck som användes i bioprintning. Målet var att utnyttja the unika egenskaperna hos dessa träbaserade material för 3D printning och dessutom bemöta utmaningarna med bioprintning. Denna forskningsresa innefattade huvudsakligen två 3D ljusassisterande printtekniker: extruderingsbaserad samt DLP-printning (”digital light processing”-printning). Baserade på de unika egenskaperna för träbaserade polymerer, genomfördes en serie kemiska modifikationer för att möta kraven från ljusassisterande 3D printteknologier. Ett system av metakylerat gelatin (GelMA) och en dextran-baserad, vattenhaltig tvåfas-emulsion användes i denna avhandling för att formulera ett makroporbildande biobläck. De funktionaliserade träbaserade polymererna kunde överbygga nackdelarna hos ATPE-biobläck-systemen och utnyttja polymerernas egna styrkor för att framhäva främsta egenskaperna hos träbaserade polymerer.
Då detta arbete framskred, gav reologiska analyser av biobläcken avgörande information, så som flödesbeteende och tvärbindningskinetik, för att kunna styra printbarheten. Reologimätningarna gav också inblick i växelverkningarna mellan olika polymerer i biobläcken. Analyser av biokompabiliteten gjordes på cell-laddade strukturer, för att understryka rollen av träbaserade material för att stöda och främja cellulär aktivitet. De utformade trä-baserade polymererna demonstrerade dessutom sin potential för att stimulera celldifferentiering, vilket är kritiskt för den ökade efterfrågan av anpassade biobläck.
Först tillverkades biobläck av cellulosananofibriller, med neutrala eller negativt laddade grupper, och polymerer, antingen protein- eller polysackaridbaserade, som kan fototvärbindas för ljusassisterad extrusionsbaserad 3D printning. Reologimätningar användes för att karakterisera intermolekylära växelverkningar mellan två typer av nanocellulosafibriller och två typer av fototvärbindningsbara polymerer i fosfatbuffrad koksaltlösning (PBS) eller i vattenmiljö.
Ett helt träbaserat fotoharts, som bestod av tiolerad nanocellulosa och metakrylerad hemicellulosa, utformades för DLP-printning. De tillverkade hydrogelerna kunde nedbrytas genom enzymatisk hydrolys i PBS vid 37 °C och visade potential för kontrollerad frisättning av terapeutiska joner. Den syntetiserade tiolerade nanocellulosan uppvisade potential att fungera som en nanostång-tvärbindare i fotoharts med andra polymerer innehållande -ene-grupper.
Genom att utnyttja fototvärbindbar hemicellulosa som biolim, föreslår vi vidare ett nytt bioharts baserat på ATPE-systemet för bioprintning av högporösa mikrogel-baserade hydrogeler. Porositeten underlättar spridning av cellerna och massöverföring. Denna metod förenklar bioprintningsprocessen, minskar komplexiteten och tiden som krävs för att tillverka mikrogel-baserade cell-laddade hydrogeler.
Till sist introducerade vi fosforylerade cellulosananofibriller (pCNF) som multifunktionella tillsatsmedel för att förbättra ATPE-baserade biobläck. Inkorporeringen av pCNF i ATPE-systemet förbättrade de fysikalisk-kemiska egenskaperna, i tillägg höjdes också den biologiska prestandan av biobläcket, vilket förvandlade detta biobläck till en ypperlig plattform för ingenjörsmässig användning i in vitro skelettmodeller.
Sammanfattningsvis så utvecklade vi i detta arbete hållbara och potentiellt kostnadseffektiva träbaserade biomaterial för användning i biobläck. Designen av biobläck, som utvecklades i detta arbete, demonstrerar potentialen av träbaserade biomaterial i bioprintning och bidrar till utvecklingen inom området biofabrikation.
This thesis focused on the incorporation of functionalized wood-derived biomaterials, mainly nanocellulose and hemicellulose, in the bioink systems for bioprinting. The thesis aims to leverage the unique properties of these wood-derived materials for 3D printing, and further address the challenges to achieve bioprinting. This research journey involves mainly two light-based 3D printing techniques: extrusion-based and digital light processing (DLP) printing. According to the unique properties of wood-derived polymers, a series of chemical modifications were conducted to meet the demand for different types of light-based 3D printing technologies. A methacryloyl gelatin (GelMA) and dextran-based aqueous two-phase emulsion (ATPE) system was used to formulate macropore-forming bioinks in this thesis. The functionalized wood-derived polymers could overcome the drawbacks of the ATPE bioink systems and leverage their own strength, thus effectively bringing out the best features of wood-based polymers.
During the progress of this thesis, rheological analysis of the bioinks provided crucial information, such as flow behavior and crosslinking kinetics, to guide the printing process. The rheological results also offered insights into the interaction between different polymers within the bioinks. Biocompatibility assays were conducted on the cell-laden hydrogels, highlighting the role of wood-derived materials in supporting and promoting cellular activity. Moreover, the designed wood-derived polymers demonstrated their potential to stimulate cell differentiation, which is critical for the increasing demand for customized bioinks.
Firstly, inks composed of cellulose nanofibrils with neutral or negative surface charge groups and photo-crosslinkable polymers, either protein or polysaccharide-based, were formulated for light-assisted extrusion-based 3D printing. Rheological analysis was used to characterize the intermolecular interactions between two types of cellulose nanofibrils and two types of photo-crosslinkable polymers under phosphate-buffered saline (PBS) or water environments.
An all-wood-derived photoresin composed of thiolated nanocellulose and methacrylated hemicellulose was designed for DLP printing. The printed hydrogels could be degraded through enzymatic hydrolysis in PBS at 37 °C and showed potential for controlled release of therapeutic ions. The as-synthesized thiolated nanocellulose showed the potential to function as a nanorod crosslinker in photoresin design with other polymers with -ene groups.
By utilizing photo-crosslinkable hemicellulose as a bio-glue, we proposed a novel bioresin formulation based on the ATPE system for one-step bioprinting of high poros microgel-based hydrogels. A high porosity facilitates cell spreading and mass transfer. This method simplifies the bioprinting process, reducing the complexity and time required to fabricate microgel-based cell-laden hydrogels.
Lastly, we introduced phosphorylated cellulose nanofibrils (pCNF) as a multifunctional additive to enhance the ATPE-based bioinks. The incorporation of pCNF in the ATPE system improved the physiochemical properties of the bioinks, but also enhanced the biological performance, transforming the bioprinted hydrogels into a suitable platform for engineering in vitro bone models.
In summary, in this work, we developed sustainable, and potentially cost-effective wood-derived biomaterials for bioink development. The design of the bioinks shows the potential of wood-derived biomaterials in bioprinting and contributes to the development of the field of biofabrication.
Denna avhandling fokuserade på införlivande av funktionaliserade träbaserade biomaterial, i huvudsak nanocellulosa och hemicellulosa, i biobläck som användes i bioprintning. Målet var att utnyttja the unika egenskaperna hos dessa träbaserade material för 3D printning och dessutom bemöta utmaningarna med bioprintning. Denna forskningsresa innefattade huvudsakligen två 3D ljusassisterande printtekniker: extruderingsbaserad samt DLP-printning (”digital light processing”-printning). Baserade på de unika egenskaperna för träbaserade polymerer, genomfördes en serie kemiska modifikationer för att möta kraven från ljusassisterande 3D printteknologier. Ett system av metakylerat gelatin (GelMA) och en dextran-baserad, vattenhaltig tvåfas-emulsion användes i denna avhandling för att formulera ett makroporbildande biobläck. De funktionaliserade träbaserade polymererna kunde överbygga nackdelarna hos ATPE-biobläck-systemen och utnyttja polymerernas egna styrkor för att framhäva främsta egenskaperna hos träbaserade polymerer.
Då detta arbete framskred, gav reologiska analyser av biobläcken avgörande information, så som flödesbeteende och tvärbindningskinetik, för att kunna styra printbarheten. Reologimätningarna gav också inblick i växelverkningarna mellan olika polymerer i biobläcken. Analyser av biokompabiliteten gjordes på cell-laddade strukturer, för att understryka rollen av träbaserade material för att stöda och främja cellulär aktivitet. De utformade trä-baserade polymererna demonstrerade dessutom sin potential för att stimulera celldifferentiering, vilket är kritiskt för den ökade efterfrågan av anpassade biobläck.
Först tillverkades biobläck av cellulosananofibriller, med neutrala eller negativt laddade grupper, och polymerer, antingen protein- eller polysackaridbaserade, som kan fototvärbindas för ljusassisterad extrusionsbaserad 3D printning. Reologimätningar användes för att karakterisera intermolekylära växelverkningar mellan två typer av nanocellulosafibriller och två typer av fototvärbindningsbara polymerer i fosfatbuffrad koksaltlösning (PBS) eller i vattenmiljö.
Ett helt träbaserat fotoharts, som bestod av tiolerad nanocellulosa och metakrylerad hemicellulosa, utformades för DLP-printning. De tillverkade hydrogelerna kunde nedbrytas genom enzymatisk hydrolys i PBS vid 37 °C och visade potential för kontrollerad frisättning av terapeutiska joner. Den syntetiserade tiolerade nanocellulosan uppvisade potential att fungera som en nanostång-tvärbindare i fotoharts med andra polymerer innehållande -ene-grupper.
Genom att utnyttja fototvärbindbar hemicellulosa som biolim, föreslår vi vidare ett nytt bioharts baserat på ATPE-systemet för bioprintning av högporösa mikrogel-baserade hydrogeler. Porositeten underlättar spridning av cellerna och massöverföring. Denna metod förenklar bioprintningsprocessen, minskar komplexiteten och tiden som krävs för att tillverka mikrogel-baserade cell-laddade hydrogeler.
Till sist introducerade vi fosforylerade cellulosananofibriller (pCNF) som multifunktionella tillsatsmedel för att förbättra ATPE-baserade biobläck. Inkorporeringen av pCNF i ATPE-systemet förbättrade de fysikalisk-kemiska egenskaperna, i tillägg höjdes också den biologiska prestandan av biobläcket, vilket förvandlade detta biobläck till en ypperlig plattform för ingenjörsmässig användning i in vitro skelettmodeller.
Sammanfattningsvis så utvecklade vi i detta arbete hållbara och potentiellt kostnadseffektiva träbaserade biomaterial för användning i biobläck. Designen av biobläck, som utvecklades i detta arbete, demonstrerar potentialen av träbaserade biomaterial i bioprintning och bidrar till utvecklingen inom området biofabrikation.
Kokoelmat
- 215 Teknillinen kemia [129]