Preparation of cellulose nanocrystal-based composites for bone tissue engineering application

Abstract

Cellulose is one of the most abundant natural polymers. Cellulose and its derivatives are used in multiple application in a myriad of fields. Cellulose derivatives are made with chemical modification. There are multiple cellulose derivatives, and this thesis focuses on cellulose nanocrystals (CNCs) and carboxymethyl cellulose (CMC). These are both cellulose derivatives and the scaffold material studied in this thesis is a mixture of these derivatives. The scaffolds studied in this thesis is planned to be used in bone tissue engineering. Bone tissue engineering is a field of study which aims to find a material used in repairing bones.

The current method for repairing bones, bone grafts, have multiple issues such as graft site morbidity, disease transfer and limited availability. Bone tissue engineering aims to create a material that can be used in repairing bone disorders and incidents. The material used in bone tissue engineering needs to fulfil multiple requirements such as mechanical stability, biocompatibility and cell attachment. Bio-based materials are applicable for bone tissue engineering due to their abundance and biocompatibility.

This bachelor’s thesis aims to research the usage of cellulose nanocrystal and carboxymethyl cellulose composite as a material for bone tissue engineering. In the experimental section of this thesis, two samples of CNC-CMC hybrid cryogel composite were prepared and tested with Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), compression testing and in vitro cell viability. Two samples with different concentration of CNCs were prepared. One sample had 8% CNCs and the other one had 16% CNCs. The material was chemically cross-linked with citric acid to improve the mechanical properties of the material. The results showed promising properties for the bone tissue engineering application. From the different investigation methods, a clearer picture of the properties of the material was acquired. Based on this research the CNC-CMC scaffolds studied could be applicable for bone tissue engineering. However, the research done here was limited and more studies should be conducted to be certain about the applicability of the material.

Luukato ja luuvauriot ovat yhä yleisempiä nyky-yhteiskunnassa. Yksi suurin syy tähän on väestön ikääntyminen. Luukudostekniikka on tieteenala, jonka tavoitteena on löytää materiaali, joka soveltuu luiden korjaamiseen. Nykyään luita korjataan luusiirteillä, joissa on monia ongelmia, kuten siirrekohdan kuolleisuus, tautien siirto ja huono saatavuus. Luiden korjaamiseen käytettävän materiaalin tulee kuitenkin täyttää monia vaatimuksia kuten mekaaninen stabiilius, biosopeutuvuus ja solujen kiinnittyvyys. Bio-pohjaiset materiaalit ovat hyvä vaihtoehto luukudostekniikan materiaaliksi niiden hyvän saatavuuden ja biosopeutuvuuden takia.

Yksi mahdollinen raaka-aine luukudostekniikan materiaalille on selluloosa. Selluloosa on yksi runsaimmista luonnonpolymeereistä ja se on käytössä monissa eri sovelluksissa monilla eri aloilla. Selluloosa voidaan kemiallisesti muokata, jolloin siitä saadaan selluloosajohdannaisia yhdisteitä, kuten selluloosa nanokristalleja (Cellulose nanocrystals, CNCs) ja karboksyylimetyyli selluloosaa (Carboxymethylcellulose, CMC). CNC:t eristetään selluloosan kristallisista alueista ja CMC saadaan muokkaamalla selluloosa kemiallisesti. Tässä kandityössä keskiytyään CNC:n ja CMC:n seokseen, mutta on olemassa myös monia muita selluloosajohdannaisia materiaaleja.

Tämä kandidaatintyön tavoitteena on tutkia selluloosa nanokristalleista ja karboksimetyyliselluloosasta valmistetun hybridi kryogeeli komposiitin soveltuvuutta luukudostekniikan materiaaliksi. Tämän työn kokeellisessa osuudessa valmistettiin kaksi näytettä CNC-CMC hybridi kryogeeli komposiittia. Näitä näytteitä analysoitiin pyyhkäisyelektronimikroskoopin (Scanning electron microscope, SEM), Fourier muunnos infrapunaspektroskopian (Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR) ja puristustestauksen avulla. Näiden lisäksi suoritettiin solujen elinkelpoisuus testaus in vitro.

Näytteitä valmistettiin kahdella eri konsentraatiolla CNC:tä, toisessa oli 8% CNC:tä ja toisessa 16% CNC:tä. Materiaali silloitettiin sitruunahapolla parantaakseen sen mekaanisia ominaisuuksia. Tulokset näytteiden ominaisuuksista luukudostekniikan kannalta olivat lupaavia. Puristuvuustestaus osoitti, että komposiitti kestäisi voimat, joita luiden pitää kestää. FTIR ja SEM osoittivat, että komposiitti voisi sopia luukudostekniikaan niiden funktionaalisten ryhmien ja pintarakenteen takia. Solujen elinkelpoisuus osoitti, että materiaali on solujen kasvamista edesauttava, joten se nopeuttaisi luiden parantumista. Näiden tutkimuksia perusteella voidaan sanoa, että tutkittu materiaali olisi sopiva luukudostekniikaan, mutta lisätutkimuksia olisi tehtävä, jotta voitaisiin olla siitä varmoja. Mahdollisten lisätutkimusten tulisi keskittyä mekaaniseen rakenteeseen, biologisiin ominaisuuksiin ja materiaalin stabiiliuteen.