3D bioprinting inks based on cellulose nanofibrils and colloidal lignin particles

Abstract

Three-dimensional (3D) bioprinting has been utilized for decades, and today its popularity is up surging. 3D bioprinting is based on the use of the natural, non-toxic, and tissue-mimicking bio-materials which are extruded in the form of bioinks to generate different structures layer-by-layer, from a simple cylinder to the shape of an ear. This method is gaining popularity in the field of regenerative medicine in which the focus is in regenerating and replacing injured tissues and organs. However, the major obstacles in the utilization of the current biomaterials are their insufficient properties, especially in the case of the mechanical strength. Therefore, new materials, hybrid materials, and material composites need to be developed.

In this Master’s thesis, the novel CLP-CNF-alginate bioink compositions were prepared with the cellulose nanofibril (CNF) concentrations of 2.5 wt%, alginate concentrations of 0.5 wt%, and colloidal lignin nanoparticle (CLP) concentrations relative to the dry weight of CNF. The rheological properties of these bioinks were measured through the dynamic viscosity and amplitude sweep measurements, whereas the printability of the bioinks was tested in 3D bioprinting. This was followed by the compression tests and the evaluation of the hydrogels in different storage conditions. These various stability tests included freeze-drying, re-wetting, humidity chamber, salt-water solution, and free-standing at room temperature.

The addition of CLPs into the CNF-alginate hydrogel offered many advantages. Most importantly, the existence of CLPs enhanced the printability and structural stability of the hydrogels directly after 3D bioprinting. On the other hand, the addition of CLPs increased the dimensional stability of the CLP-CNF-alginate hydrogels in high humidity and salt-water solutions. Nevertheless, dissolution in the salt-water solution, fast drying in the room air, and the non-toxicity of these hydrogels with the degradation rates inside the human body require further research. However, these multiple intrinsic properties of the CLP-CNF-alginate hydrogels make them a multifunctional material for the regenerative medicine.

3D-bioprinttausta on hyödynnetty vuosikymmeniä, mutta nykyään sen suosio on räjähdysmäisessä kasvussa. 3D-bioprinttauksessa käytetään luonnonmukaisia, myrkyttömiä ja kudoksia jäljitteleviä biomateriaaleja, jotka ruiskutetaan biotahnojen muodossa, kerros kerrokselta, muodostamaan erilaisia rakenteita, aina yksinkertaisesta lieriöstä korvanmuotoisiin rakenteisiin asti. Menetelmä on suosittu regeneroivassa lääketieteessä, jossa keskitytään vahingoittuneiden tai sairaiden kudosten sekä elinten korvaamiseen. Suurimmat haasteet nykyisten biomateriaalien hyödyntämisessä liittyvät niiden riittämättömiin ominaisuuksiin, erityisesti mekaanisten ominaisuuksien osalta. Tämän vuoksi uusia materiaaleja, hybridimateriaaleja ja materiaalikomposiitteja on tärkeä kehittää.

Tässä diplomityössä valmistettiin uusia CLP-CNF-alginaatti -biotahnoja, jotka sisälsivät 2,5 p-% nanofibrilloitua selluloosaa (CNF), 0,5 p-% alginaattia ja kolloidisia ligniinipartikkeleita (CLPs) CNF-kuitujen kuivapainon mukaisesti. CLP-CNF-alginaatti -biotahnojen reologiset ominaisuudet mitattiin dynaamisten viskositeetti- ja amplitudimittausten avulla. Biotahnojen printattavuutta sen sijaan tutkittiin 3D bioprinttauksessa, mitä seurasivat kompressiotestit ja varastointimittaukset. Varastointimittauksiin kuuluivat hydrogeelien kylmäkuivaus, uudelleen kostutus sekä säilytys kosteuskammiossa, suolavesiliuoksessa ja huoneilmassa.

Ligniinipartikkeleiden lisäys CNF-alginaatti -hydrogeeliin tarjosi monia etuja. Ligniinipartikkelit paransivat erityisesti hydrogeelien printattavuutta sekä rakenteen stabiilisuutta 3D bioprinttauksen jälkeen. Ligniinipartikkeleiden lisäys kasvatti myös hydrogeelien rakenteellista pysyvyyttä korkeassa kosteudessa ja suolaliuoksessa. Hydrogeelien liukeneminen suolaliuoksessa, nopea kuivuminen huoneilmassa sekä myrkytön hajoaminen elimistössä vaativat kuitenkin lisätutkimusta. Yleisesti ottaen CLP-CNF-alginaatti -hydrogeelit ovat monikäyttöisiä materiaaleja regeneroivan lääketieteen tarkoituksiin.