Development of mist-based technologies for droplet-based and coaxial bioprinting of ionically crosslinking hydrogels

Badr, Sara (2023). Development of mist-based technologies for droplet-based and coaxial bioprinting of ionically crosslinking hydrogels. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Three-dimensional bioprinting has become one of the leading biofabrication techniques in the pursuit of creating tissue constructs, as it offers high precision and resolution of bioink deposition. Ionically crosslinking hydrogels are one of the most commonly used in threedimensional bioprinting due to their biocompatibility, ease of crosslinking, and rapid gelation. Current methods of bioprinting ionically crosslinking hydrogel bioinks rely on the use of liquid crosslinker, which impedes precise deposition of the bioinks and causes poor resolution and layer adhesion. Furthermore, current approaches involve multiple crosslinking stages and postprocessing steps, which is time consuming and could compromise the shape fidelity of the printed structure and cell viability. Therefore, an improved system to better control the gelation rate and collect the excess mist crosslinker must be developed.

In this thesis, mist-based technologies are developed for the three-dimensional bioprinting of ionically crosslinking hydrogel bioinks. The mist-based crosslinking technique is implemented for two bioprinting techniques, droplet-based and coaxial bioprinting. Contrary to current approaches to droplet-based and coaxial bioprinting that utilize the crosslinker in liquid or sacrificial form to construct a scaffold, the developed technologies introduce the crosslinking agent in mist form.

For the droplet-based bioprinting study, the printhead introduces the crosslinker in mist form, and features a removal mechanism that prevents crosslinker accumulation on the printbed. It is shown that the gelation rate can be controlled by adjusting the mist concentration or delivery rate. Furthermore, it is shown that the mist inlet flowrate has influences on the printing resolution and shape fidelity of the printed constructs. The printability, mechanical properties, and swelling properties of the printed constructs crosslinked using different mist delivery rates are studied. Moreover, the impacts of printing parameters, including printhead height, mist outlet pressure and printhead channel dimensions on the mist distribution within the printhead is investigated. Additionally, using high-speed imaging, the effects of mist concentration and droplet velocity on the dynamics of droplet impact onto the printing surface are characterized. Results show that the printed constructs using the developed printhead exhibit good droplet gelation and co-droplet adhesion, and high level of cell viability.

For the coaxial bioprinting study, the mist-based technology is evaluated for fabricating hollow fibers in a single step. Through controlled exposure of crosslinker, the developed system prevents poor resolution and layer adhesion caused by the accumulation of liquid crosslinker on the printbed. Furthermore, it eliminates additional processing steps, such as partial crosslinking of the hydrogel prior- or removal of sacrificial material post-printing. The printability and mechanical properties of hollow fiber scaffolds printed using various mist and hydrogel concentrations are studied. It is shown that mist concentration influences the gelation rate of the hollow fiber, impacting the shape fidelity, layer adhesion, and mechanical properties of the printed structures. Moreover, the effects of printing parameters, including the mist core pressure and hydrogel flowrate, on the diameter and wall thickness of the hollow fiber are investigated. Additionally, scaffolds printed and crosslinked using mist exhibit over 90% cell viability. The developed mist-based coaxial system enables direct printing of continuous hollow fibers.

The developed mist-based crosslinking technology leverages the advantages of bioprinting techniques, while providing a better control of the gelation rate and preventing the accumulation of excess crosslinker on the printbed. Furthermore, the developed mist-based technologies advance the applicability of droplet-based and coaxial bioprinting to fabricate complex and biocompatible scaffolds for tissue engineering applications.

Titre traduit

Développement de la technologie de brumisateur pour la bio-impression de gouttelettes et coaxiale

Résumé traduit

La bio-impression tridimensionnelle est devenue l'une des majeures techniques de biofabrication pour la fabrication de tissus, permettant une précision et une résolution élevées du dépôt de l’encre. Les hydrogels à réticulation ionique sont parmi les plus couramment utilisés dans la bio-impression tridimensionnelle en raison de leur biocompatibilité, de leur facilité de réticulation et de leur gélification rapide. Les méthodes actuelles de bio-impression d'hydrogels à réticulation ionique reposent sur l'utilisation d'un agent de réticulation liquide, qui empêche un dépôt précis des encres et entraîne une mauvaise résolution et une mauvaise adhésion des couches. En outre, les approches actuelles impliquent de multiples étapes de réticulation et de post-traitement, ce qui prend du temps et pourrait compromettre la fidélité de la forme de la structure imprimée et la viabilité des cellules. Par conséquent, un système amélioré permettant de mieux contrôler le taux de gélification et de collecter l'excès d’agent réticulant sous forme de brumisateur doit être développé.

Dans cette thèse, des technologies basées sur le brumisateur sont développées pour la bioimpression tridimensionnelle d’encres d’hydrogel à réticulation ionique. La technique de réticulation par brumisateur est mise en oeuvre pour deux techniques de bio-impression, la bioimpression par gouttelettes et la bio-impression coaxiale. Contrairement aux approches actuelles de la bioimpression par gouttelettes et coaxiale qui utilisent l'agent de réticulation sous forme liquide ou sacrificielle pour construire un échafaudage, les technologies développées introduisent l'agent de réticulation sous forme de brumisateur.

Pour l'étude de la bio-impression à base de gouttelettes, la tête d'impression introduit l'agent de réticulation sous forme de brumisateur et comporte un mécanisme d'élimination qui empêche l'accumulation de l'agent de réticulation sur le lit d'impression. Il est démontré que le taux de gélification peut être contrôlé en ajustant le taux de distribution du brumisateur. En conséquence, il est démontré que le taux de distribution du brumisateur a un impact sur la fidélité de la forme et les propriétés mécaniques des constructions imprimées. L'imprimabilité et les propriétés de gonflement des constructions imprimées réticulées en utilisant différents taux de distribution du brumisateur sont étudiées. De plus, les impacts des paramètres d'impression, y compris la hauteur de la tête d'impression, la pression de sortie du brumisateur et les dimensions du canal de la tête d'impression sur la distribution du brumisateur et, par conséquent, sur le taux de gélification dans la tête d'impression, sont étudiés. De plus, en utilisant l'imagerie à haute vitesse, les effets de la concentration du brumisateur et de la vitesse des gouttelettes sur la dynamique de l'impact des gouttelettes sur la surface sont caractérisés. Les résultats montrent que les constructions imprimées à l'aide de la tête d'impression développée présentent une bonne gélification des gouttelettes et une bonne adhésion des cogouttelettes, ainsi qu'un niveau élevé de viabilité cellulaire.

Pour l'étude de la bio-impression coaxiale, la technologie à base de brumisateur est évaluée pour la fabrication de fibres creuses en une seule étape. Grâce à l'exposition contrôlée de l'agent de réticulation, le système développé évite une mauvaise résolution et une mauvaise adhésion des couches causées par l'accumulation d'agent de réticulation liquide sur le lit d'impression. En outre, il élimine les étapes de traitement supplémentaires, telles que la réticulation partielle de l'hydrogel avant ou l'élimination du matériau sacrificiel après l'impression. L'imprimabilité et les propriétés mécaniques des échafaudages de fibres creuses imprimés en utilisant différentes concentrations de brumisateur et d'hydrogel sont étudiées. Il est démontré que la concentration du brumisateur influence le taux de gélification de la fibre creuse, ce qui a un impact sur la fidélité de la forme, l'adhésion des couches et les propriétés mécaniques des structures imprimées. De plus, les effets des paramètres d'impression, y compris la pression du noyau du brumisateur et le débit de l'hydrogel, sur le diamètre et l'épaisseur de la paroi de la fibre creuse sont étudiés. En outre, les échafaudages imprimés et réticulés à l'aide du brumisateur présentent une viabilité cellulaire supérieure à 90 %. Le système coaxial à base de brumisateur développé permet l'impression directe de fibres creuses continues.

La technologie de réticulation basée sur le brumisateur exploite les avantages des techniques de bio-impression, tout en offrant un meilleur contrôle de la vitesse de gélification et en empêchant l'accumulation d'un excès de réticulant sur le lit d'impression. En outre, les technologies développées basées sur le brumisateur font progresser l'applicabilité de la bioimpression basée sur les gouttelettes et coaxiale pour fabriquer des échafaudages complexes et biocompatibles pour les applications d'ingénierie tissulaire.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 57-67).
Mots-clés libres:	bio-impression 3D, à base de gouttelettes, coaxiale, brumisateur, alginate, fibre creuse
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ahmadi, Ali
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	28 août 2023 13:35
Dernière modification:	28 août 2023 13:35
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3244

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