Development of an on-demand foaming printhead for biofabrication of constructs with heterogeneous porosity

Zohourfazeli, Mohammadamin (2024). Development of an on-demand foaming printhead for biofabrication of constructs with heterogeneous porosity. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Three-dimensional bioprinting stands out as a distinctive subset of additive manufacturing, characterized by the precise deposition of biomaterials to create intricate 3D structures with embedded living cells. This technology enables the biofabrication of complex constructs capable of mimicking natural tissues. However, for effective 3D bioprinting, bioinks—cellladen biomaterials—must meet stringent rheological and mechanical properties to ensure high printability and structural integrity. The intrinsic porosity of bioinks is often insufficient for biological applications, posing significant challenges in tissue engineering. Adequate porosity is crucial for supporting cellular processes such as proliferation, differentiation, and extracellular matrix deposition. Enhancing the porosity of bioinks is therefore essential to improve their functionality and effectiveness in tissue engineering and regenerative medicine.

This thesis addresses the challenge in the development of tunable porous 3D printable biomaterials with a wide range of pore sizes for the biofabrication of heterogeneous constructs. The approach of this research minimizes the use of additives and processing steps for porosity generation. To achieve this, a foaming printhead was designed and developed. The printhead proves to be a superior alternative to bioprinting a passively foamed solution, due to its higher control over the tunability of foam characteristics while bioprinting. This foaming method involves the mechanical agitation of albumin (the foaming agent) within the printhead, which leads to the denaturation of its protein structure. Bubbles in the foam are created by trapping air with the hydrophilic and hydrophobic groups of the denatured protein. Sodium alginate is used alongside albumin to leverage its biocompatibility and rapid ionic crosslinking properties. Gelatin is added to the bioink to enhance cell attachment. The produced foam is then crosslinked upon exiting the needle using a crosslinking module capable of delivering a calcium chloride mist. It was hypothesized that changing the foaming speed would result in changing the pore size of the constructs and affect cell activities and drug delivery properties. Therefore, the foaming printhead includes a foaming module with a DC motor to change the rotation speed of a pinion in an enclosed space with an internal gear design to obtain a wide range of pore sizes. The developed printhead enables on-demand mixing of bioink and air at high speeds in a foaming module, followed by combining the resulting foam with cells in a mixing unit. Finally, the cell-laden foam is crosslinked by delivering the crosslinker in mist form.

The biofabricated scaffolds were characterized by assessments of printability, porosity, water absorption, degradation, and drug release capabilities. Our studies revealed that these properties can be tuned by controlling the foaming speed, which affects the porosity size. Foaming speeds of 1500, 2500, and 3500 rpm generated average pore sizes of 96, 84, and 53 μm, respectively. Increasing the foaming speed induces higher shear forces in the solution, breaking larger bubbles into smaller ones. Samples produced at lower foaming speeds exhibited higher rates of water absorption, degradation, and drug release. The biocompatibility of the porous constructs and the bioprinting system was assessed using the Live/Dead assay, which showed over 90% cell viability after 1 day. The results of this study highlight the capability of biofabricating heterogeneous structures for tissue engineering and drug delivery applications, with the option to regulate pore size on demand by adjusting the foaming speed.

Titre traduit

Développement d'une tête d'impression à moussage à la demande pour la biofabrication de constructions à porosité hétérogène

Résumé traduit

La bioimpression tridimensionnelle se distingue comme une sous-catégorie spécifique de la fabrication additive, caractérisée par le dépôt précis de biomatériaux pour créer des structures 3D complexes avec des cellules vivantes intégrées. Cette technologie permet la biofabrication de constructions complexes capables de simuler les tissus naturels. Cependant, pour une bioimpression 3D efficace, les bioencres—biomatériaux imprimables en 3D chargés de cellules—doivent répondre à des propriétés rhéologiques et mécaniques strictes pour garantir une bonne imprimabilité et une intégrité structurelle. La porosité intrinsèque des bioencres est souvent insuffisante pour les applications biologiques, posant des défis importants en ingénierie biomédicale. Une porosité adéquate est cruciale pour soutenir les processus cellulaires tels que la prolifération, la différenciation et la déposition de la matrice extracellulaire. L'amélioration de la porosité des bioencres est donc essentielle pour améliorer leur fonctionnalité et leur efficacité en ingénierie des tissus et en médecine régénérative.

Cette thèse aborde le défi du développement de biomatériaux imprimables en 3D à porosité réglable avec une large gamme de tailles de pores pour la biofabrication de constructions hétérogènes. L'approche de cette recherche minimise l'utilisation d'additifs et d'étapes de traitement pour la génération de porosité. Pour ce faire, une tête d'impression à mousse a été conçue et développée. La tête d'impression se révèle être une alternative supérieure à la bioimpression d'une solution mousseuse passive, en raison de son meilleur contrôle sur la réglabilité des caractéristiques de la mousse pendant le processus de bioimpression. Cette méthode de moussage implique l'agitation mécanique de l'albumine, utilisée comme agent moussant, ce qui conduit à la dénaturation de sa structure protéique. Les bulles dans la mousse sont créées en piégeant l'air avec les groupes hydrophiles et hydrophobes de la protéine dénaturée. L'alginate de sodium est utilisé en complément de l'albumine pour tirer parti de sa biocompatibilité et de sa propriété de réticulation ionique rapide. De la gélatine est ajoutée à la bioencre pour améliorer l'attachement des cellules. La mousse produite est ensuite réticulée après avoir quitté l'aiguille à l'aide d'un module de réticulation capable de délivrer une brume de chlorure de calcium. Il a été émis l'hypothèse que le changement de la vitesse de moussage entraînerait un changement de la taille des pores des constructions et affecterait les activités cellulaires et les propriétés de libération de médicaments. Par conséquent, la tête d'impression à mousse, fabriquée en résine grise par l'imprimante 3D Formlabs, comprend un moteur à courant continu pour changer la vitesse de rotation d'un pignon dans un espace clos avec un design de roue interne afin d'obtenir une large gamme de tailles de pores. La tête d'impression développée permet le mélange à la demande de bioencre et d'air à haute vitesse et le mélange des cellules avec la mousse à travers un mélangeur de cellules. Enfin, la mousse contenant les cellules est réticulée en appliquant le réticulant sous forme de brouillard.

Les échafaudages fabriqués ont été caractérisés par des évaluations de l'imprimabilité, de la porosité, de l'absorption d'eau, de la dégradation et des capacités de libération de médicaments. Nos études ont révélé que ces propriétés peuvent être ajustées en contrôlant la vitesse de moussage, ce qui affecte la taille des pores. Les vitesses de moussage de 1500, 2500 et 3500 rpm ont généré des tailles de pores moyennes de 96, 84 et 53 μm, respectivement. L'augmentation de la vitesse de moussage induit des forces de cisaillement plus élevées dans la solution, brisant les grosses bulles en bulles plus petites. Les échantillons produits à des vitesses de moussage plus faibles ont montré des taux plus élevés d'absorption d'eau, de dégradation et de libération de médicaments. La biocompatibilité des constructions poreuses et du système de bioimpression a été évaluée à l'aide du test Live/Dead, qui a montré plus de 90 % de viabilité cellulaire. Les résultats de cette étude mettent en évidence la capacité de biofabriquer des structures hétérogènes pour des applications en ingénierie des tissus et en libération de médicaments, avec la possibilité de réguler la taille des pores à la demande en ajustant la vitesse de moussage.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"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 47-61).
Mots-clés libres:	3D bioimpression, tête d'impression, bioencre, alginate de sodium, albumine, mousse
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ahmadi, Ali
Codirecteur:	Codirecteur Lerouge, Sophie
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	20 févr. 2025 15:16
Dernière modification:	20 févr. 2025 15:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3536

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