Enhancing the stability of albumin foam-based support baths using pectin for embedded bioprinting

Rodger, Melanie (2025). Enhancing the stability of albumin foam-based support baths using pectin for embedded bioprinting. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Tissue engineering and regenerative medicine aim to restore or replace damaged tissues and organs and has key applications in developing advanced therapeutic solutions, physiologically relevant disease models, and engineered tissues that could one day help address the global organ shortage. Achieving these goals requires advanced biofabrication techniques capable of producing complex, cell-laden architectures with high precision and biological relevance—an area where embedded bioprinting has shown great promise. Embedded bioprinting enables the creation of complex, cell-laden structures by extruding bioinks into a support bath that physically supports the printed constructs. This strategy has expanded the range of printable bioinks and has allowed for the fabrication of intricate geometries; however, current support bath materials have several limitations including, insufficient oxygen and nutrient delivery and strenuous support bath removal steps. To combat such limitations, albumin-based foams have recently been proposed as a class of self-removable, oxygen- and nutrient-permeable support bath materials. The main drawback of using foams as a support is that their rapid degradation limits their use for longer, more complex prints.

In this thesis, the stabilization of albumin foams through the incorporation of pectin, a biocompatible polysaccharide is reported. Three formulations—albumin-only (A8), albumin with 1% pectin (A8P1), and albumin with 2% pectin (A8P2)—were evaluated with respect to foam stability, bubble size and distribution, rheological properties, physicochemical properties, printability and biocompatibility. The addition of pectin significantly delayed liquid drainage and bubble coalescence while preserving key rheological characteristics such as shear-thinning and rapid recovery of properties after subjected to deformation. These enhancements supported the embedded printing of chitosan, a low-viscosity and slow-crosslinking hydrogel, into multilayered and freeform constructs with high fidelity. Cell viability assays further confirmed that pectin did not impair biocompatibility; notably, A8P1 provided the most favorable microenvironment and outperformed conventional gelatin-based FRESH baths during extended incubation, owing to enhanced oxygen diffusion and a more physiological pH. Collectively, these findings establish pectin-stabilized albumin foams as a simple, biocompatible, and self-removable support system that addresses key limitations of embedded bioprinting and broadens the range of printable bioinks. By enabling the reliable fabrication of complex, cell-laden constructs, this work contributes to the advancement of tissue engineering and regenerative medicine, supporting future applications in disease modeling, drug testing, and ultimately the development of engineered tissues and organs to combat the organ shortage crisis.

Titre traduit

Amélioration de la stabilité des bains de support à base de mousse d’albumine à l’aide de pectine pour la bioimpression intégrée

Résumé traduit

Les domaines de l’ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative visent à restaurer ou à remplacer des tissus et organes endommagés pour le développement de nouvelles thérapies, de modèles de maladies physiologiquement pertinents et, à long terme, d’organes biofabriqués capables de répondre à la pénurie mondiale d’organes destinés à la transplantation. Pour atteindre ces objectifs, des techniques avancées de biofabrication comme la bio-impression 3D intégrée (terme anglais: embedded bioprinting) jouent un rôle central, car elles permettent la création contrôlée de structures cellulaires complexes à haute précision. La bio-impression 3D intégrée permet la création de structures complexes encapsulé avec des cellules vivantes par l’extrusion des bio-encres dans des bains de support. Cette approche a élargi l’éventail des bio-encres imprimables et rendu possible la fabrication de géométries sophistiquées. Toutefois, les matériaux de support actuellement utilisés présentent des limites liées à leur instabilité ainsi qu’à une diffusion insuffisante d’oxygène et de nutriments, ce qui restreint la durée des impressions et compromet la fidélité des structures. Des mousses à base d’albumine ont récemment été proposées comme alternatives perméables à l’oxygène et aux nutriments; cependant, leur dégradation rapide freine leur utilisation à plus grande échelle.

La présente thèse rapporte la stabilisation de mousses d’albumine par l’incorporation de pectine, un polysaccharide biocompatible. Trois formulations — albumine seule (A8), albumine avec 1 % de pectine (A8P1) et albumine avec 2 % de pectine (A8P2) — ont été évaluées en fonction de leur stabilité, de la morphologie des bulles, des propriétés rhéologiques, des caractéristiques physicochimiques et de leur biocompatibilité. L’ajout de pectine a considérablement retardé le drainage et la coalescence des bulles tout en préservant les propriétés rhéologiques essentielles telles que le comportement pseudoplastique (shear-thinning) et la capacité de récupération rapide après déformation. Ces améliorations ont permis l’impression assistée d’hydrogels de chitosane, une bio-encre de faible viscosité et à gélification lente, sous forme de structures multicouches et libres, présentant une grande fidélité. Les experiences de viabilité cellulaire ont par ailleurs confirmé que la pectine ne compromettait pas la biocompatibilité; en particulier, la formulation A8P1 a fourni le microenvironnement le plus favorable et a surpassé les bains de support conventionnels de gélatine lors d’incubations prolongées, en raison d’une meilleure diffusion de l’oxygène et d’un pH plus physiologique. Dans l’ensemble, les mousses albumine–pectine se présentent comme un système de support simple, biocompatible et auto-éliminable, qui surmonte des limitations majeures de l’impression assistée par support et élargit l’éventail des bio-encres imprimables. En facilitant la fabrication fiable de structures cellulaires complexes, cette approche contribue à l’avancement de l’ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative, soutenant ainsi le développement futur de modèles de maladies, d’outils de dépistage pharmacologique et, à terme, d’organes bio-imprimés pour répondre à la pénurie d’organes.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 67-82).
Mots-clés libres:	bioimpression 3D, bioimpression intégrée, mousse, pectine, albumine
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ahmadi, Ali
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	22 déc. 2025 17:10
Dernière modification:	22 déc. 2025 17:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3768

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