Cellulose Nanofibrils for Bone Tissue Engineering

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.

Date

2024-05-03

Department

Major/Subject

Biotuotteet

Mcode

CHEM3048

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

30

Series

Abstract

This bachelor’s thesis is a literature review that studies the suitability of various cellulose nanofibril -based scaffolds for bone tissue engineering. New methods and materials are needed to replace old and non-renewable ones, such as metals. The aging and growing population requires new solutions for different conditions, including large fractures and osteoporosis. Cellulose nanofibrils are long and flexible, and they have excellent mechanical properties, but they lack the sufficient bioactivity and biodegradability needed for the biological environment in question. This thesis examines which other material cellulose nanofibrils should be combined with to create a composite scaffold, which resembles natural bone and is suitable for the human body. This thesis studies the structure, properties and natural repairing of bone tissue to evaluate the suitability of composites for bone tissue engineering. Bone tissue is a complex network of various bone cells and extracellular matrix, requiring strength yet avoiding brittleness. Therefore, when creating composite scaffolds, both the properties of natural bone tissue and changing environmental conditions must be considered. This bachelor’s thesis focuses on scaffolds that contain cellulose nanofibril hydrogel and, depending on the study, inorganic or organic material. In terms of inorganic materials, the study focuses on hydroxyapatite and bioactive glass, while for organic materials, it focuses on sodium alginate and chitosan. Additionally, the thesis addresses the benefits of chemical modification of cellulose nanofibrils. Based on the collected information, it can be observed that all the investigated composites have insufficient mechanical properties. The elastic modulus of cellulose nanofibril/hydroxyapatite composite scaffold is closest to the elastic modulus of natural bone, which is approximately 11.5 GPa. Based on the results, it was concluded that the most promising composite scaffold materials contain either cellulose nanofibrils and bioactive glass, which can form hydroxyapatite, or cellulose nanofibrils, bioactive glass and sodium alginate.

Tämä kandidaatintyö on kirjallisuuskatsaus, joka tutkii erilaisten selluloosananokuitupohjaisten tukirakenteiden soveltuvuutta luukudostekniikkaan. Uusia menetelmiä ja materiaaleja tarvitaan korvaamaan vanhat ja uusiutumattomat materiaalit, kuten metallit. Ikääntyvä ja kasvava väestö tarvitsee uusia ratkaisuja muun muassa suurten murtumien ja osteoporoosin hoitoon. Selluloosananokuidut ovat pitkiä ja joustavia, ja niillä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, mutta niiden bioaktiivisuus ja -hajoavuus eivät sovellu kyseessä olevaan biologiseen ympäristöön. Tässä työssä tutkittiin, minkä toisen materiaalin kanssa selluloosananokuidut tulisi yhdistää, jotta tuloksena olisi aitoa luukudosta muistuttava ja ihmiskehoon soveltuva komposiittitukirakenne. Työssä tutkittiin luukudoksen rakennetta, ominaisuuksia ja luonnollista korjautuvuutta, joiden perusteella voitiin arvioida komposiittien ominaisuuksien kelpoisuutta luukudostekniikkaan. Luukudos on monimutkainen verkosto erilaisia luusoluja ja soluväliainetta, ja sen täytyy samanaikaisesti olla luja, mutta ei hauras. Komposiittitukirakenteita suunniteltaessa tulee siis ottaa huomioon niin luonnollisen luukudoksen ominaisuudet, kuin ympäristön muuttuvat olosuhteet. Tämä kandidaatintyö keskittyy tukirakenteisiin, jotka sisältävät selluloosananokuituhydrogeeliä ja, tutkimuksesta riippuen, epäorgaanista tai orgaanista materiaalia. Epäorgaanisista materiaaleista työ keskittyy hydroksiapatiittiin ja bioaktiiviseen lasiin, ja orgaanisista materiaaleista natriumalginaattiin ja kitosaaniin. Näiden lisäksi työssä käsitellään myös selluloosananokuitujen kemiallisen muokkaamisen hyötyjä. Kerätyn tiedon perusteella voitiin todeta, että kaikilla tutkituilla komposiiteilla on puutteelliset mekaaniset ominaisuudet. Hydroksiapatiitin ja selluloosananokuitujen muodostaman komposiitin kimmomoduuli on lähimpänä luonnollisen luun kimmomoduulin arvoa, joka on noin 11,5 GPa. Näiden tulosten pohjalta todettiin, että lupaavimmat komposiittitukirakenteet sisältävät joko selluloosananokuituja ja bioaktiivista lasia, joka kykenee muodostamaan hydroksiapatiittia, tai selluloosananokuituja, bioaktiivista lasia ja natriumalginaattia.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Valle-Delgado, Juan José

Keywords

nanoselluloosa, CNF, luu, kudostekniikka

Other note

Citation