The use of mechanical foaming for development of bioinks and bioprinting techniques

Madadian, Elias (2023). The use of mechanical foaming for development of bioinks and bioprinting techniques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Three-dimensional bioprinting is a unique subset of additive manufacturing in which the precise deposition of bioink gives yield to complex 3D structures made up of living cells embedded within hydrogels. For biological applications, 3D bioprinted structures are required to have a high degree of porosity to promote cellular growth and function. However, the low intrinsic porosity of bioinks often falls short in providing an ideal environment for cells. Moreover, many biocompatible hydrogels lack sufficient mechanical and rheological properties for 3D bioprinting. When these properties do not meet the requirements for printability, bioprinting fails due to poor shape fidelity and other complications. Therefore, further attention is required to develop methods to address the aforementioned limitations.

This thesis addresses the development of foam-based methods for the 3D bioprinting of supermacroporous structures, as well as the 3D bioprinting of low-viscosity/slow-crosslinking hydrogels. Albumin, a well-known foaming agent, is used to produce highly porous and 3Dprintable hybrid bioinks. Moreover, albumin foam is utilized as a sacrificial material to fabricate hollow fibers, and also is used as a foam-based support material in embedded bioprinting as an alternative to gel-based support baths.

For the investigation of a porous 3D-printable bioink, hybrid albumin-alginate solutions with various concentrations of albumin and sodium alginate are prepared and mechanically mixed. The resulting foam is 3D printed and crosslinked with a calcium chloride solution or mist. The fabricated scaffolds are characterized through the analysis of the printability, mechanical properties, porosity, water absorption, degradation, and drug release tests. These studies indicate that the mist-crosslinked scaffolds show superior mechanical properties and provide relatively longer drug release profiles.

For the hollow fiber bioprinting study, a foam-based sacrificial material is developed to be used as a core flow. This method involves the incorporation of the crosslinker (calcium chloride) into an albumin foam. The effects of foam and alginate flow rates on fiber diameter and wall thickness are investigated. Printing resolution is quantified by determining the printability number. Mechanical properties are assessed by analyzing breaking strain and filament collapse. Moreover, the viability of Neuro-2a cells co-incubated with the printed structures are examined, showing no detrimental impact on cell viability.

For the embedded bioprinting study, albumin foam enriched with cell culture media are used as a support bath to bioprint complex structures with low-viscosity/slow-crosslinking hydrogels. The optimal conditions of the foam-based bath are determined by testing different albumin concentrations and foaming times. A unique benefit of utilizing foam-based support baths in embedded bioprinting is the coalescence of bubbles over time, which leads to the formation of a sacrificial support bath. Additional benefits of utilizing foam as the supporting material include the enhanced access to surrounding gaseous oxygen, as well as immediate access to nutrients in the foam. A chitosan-based thermosensitive hydrogel of various complex structures are successfully bioprinted using the foam-based support material. Furthermore, the biocompatibility of the process is demonstrated by determining the cell viability over 7 days of L929 fibroblasts incorporated into a chitosan-collagen bioink.

The developed foam-based methods in this thesis leverage the advantages of the bioprinting techniques, while allowing direct 3D printing of highly porous structures, as well as lowviscosity/slow-crosslinking hydrogels. The use of innovative foam-based support materials is proved to be an excellent alternative to conventional support materials in coaxial bioprinting and embedded bioprinting systems for tissue engineering applications.

Titre traduit

L'utilisation de la mousse mécanique pour le développement de bioinks et de techniques de bio-impression

Résumé traduit

La bio-impression tridimensionnelle est un sous-ensemble unique de la fabrication additive dans lequel le dépôt précis de bioink donne lieu à des structures 3D complexes composées de cellules vivantes intégrées dans des hydrogels. Pour les applications biologiques, les structures bio-imprimées en 3D doivent présenter un degré élevé de porosité afin favoriser la croissance et la fonction cellulaires. Cependant, la faible porosité intrinsèque des bioinks ne permet pas toujours de créer un environnement idéal pour les cellules. En outre, de nombreux hydrogels biocompatibles n'ont pas les propriétés mécaniques et rhéologiques suffisantes pour la bio-impression 3D. Lorsque ces propriétés ne répondent pas aux exigences d'imprimabilité, la bio-impression échoue en raison d'une mauvaise fidélité de la forme et d'autres complications. C'est pourquoi il est nécessaire d'accorder plus d'attention à la mise au point de méthodes permettant de remédier aux limitations susmentionnées.

Ce mémoire porte sur le développement de méthodes basées sur la mousse pour la bio-impression 3D de structures supermacroporeuses, ainsi que sur la bio-impression 3D d'hydrogels à faible viscosité/réticulation lente. L'albumine, un agent moussant bien connu, est utilisée pour produire des bioinks hybrides hautement poreux et imprimables en 3D. En outre, la mousse d'albumine est utilisée comme matériau sacrificiel pour fabriquer des fibres creuses, et est également utilisée comme matériau de support à base de mousse dans la bio-impression intégrée comme alternative aux bains de support à base de gel.

Pour l'étude d'un bioink poreux imprimable en 3D, des solutions hybrides d'albumine et d'alginate avec différentes concentrations d'albumine et d'alginate de sodium sont préparées et mélangées mécaniquement. La mousse obtenue est imprimée en 3D et réticulée avec une solution ou une brume de chlorure de calcium. Les échafaudages fabriqués sont caractérisés par l'analyse de l'imprimabilité, des propriétés mécaniques, de la porosité, de l'absorption d'eau, de la dégradation et des tests de libération de médicaments. Ces études indiquent que les échafaudages réticulés par la brume présentent des propriétés mécaniques supérieures et offrent des profils de libération de médicaments relativement plus longs.

Pour l'étude sur la bio-impression de fibres creuses, un matériau sacrificiel à base de mousse est développé pour être utilisé comme flux central. Cette méthode implique l'incorporation de l'agent de réticulation (chlorure de calcium) dans une mousse d'albumine. Les effets des débits de mousse et d'alginate sur le diamètre des fibres et l'épaisseur des parois sont étudiés. La résolution d'impression est quantifiée en déterminant l'indice d'imprimabilité. Les propriétés mécaniques sont évaluées en analysant la déformation à la rupture et l'effondrement du filament. En outre, la viabilité des cellules Neuro-2a co-incubées avec les structures imprimées est examinée et ne montre aucun impact négatif sur la viabilité des cellules.

Pour l'étude de la bio-impression intégrée, une mousse d'albumine enrichie de milieu de culture cellulaire est utilisée comme bain de support pour bio-imprimer des structures complexes avec des hydrogels à faible viscosité et à réticulation lente. Les conditions optimales du bain à base de mousse sont déterminées en testant différentes concentrations d'albumine et différents temps de moussage. Un avantage unique de l'utilisation de bains de support à base de mousse dans la bio-impression intégrée est la coalescence des bulles au fil du temps, ce qui conduit à la formation d'un bain de support sacrificiel. L'utilisation de la mousse comme matériau de support présente d'autres avantages, notamment un meilleur accès à l'oxygène gazeux environnant, ainsi qu'un accès immédiat aux nutriments présents dans la mousse. Un hydrogel thermosensible à base de chitosane de diverses structures complexes a été bio-imprimé avec succès en utilisant le matériau de support à base de mousse. En outre, la biocompatibilité du processus est démontrée en déterminant la viabilité cellulaire des fibroblastes L929 incorporés dans un bioink de chitosane-collagène après 7 jours de culture.

Les méthodes à base de mousse développées dans ce mémoire exploitent les avantages des techniques de bio-impression, tout en permettant l'impression 3D directe de structures très poreuses, ainsi que d'hydrogels à faible viscosité et à réticulation lente. L'utilisation de matériaux de support innovants à base de mousse s'avère être une excellente alternative aux matériaux de support conventionnels dans les systèmes de bio-impression coaxiale et de bioimpression intégrée pour les applications d'ingénierie tissulaire.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 85-103).
Mots-clés libres:	bio-impression 3D, bio-impression intégrée, bio-impression coaxiale, alginate de sodium, albumine
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ahmadi, Ali
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	30 oct. 2023 14:06
Dernière modification:	30 oct. 2023 14:06
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3309

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