Aerosol-jet Printen van Fibrillaire Collagenen voor de Replicatie van Dicht Collageneus Weefsel

Bioprinten, of het gebruik van additieve fabricagetechnieken om scaffolds voor weefselmanipulatie te produceren, is recent vastgesteld als een nuttig hulpmiddel in weefselmanipulatie en regeneratieve geneeskunde. Aanzienlijke beperkingen van bioprinten zijn echter de mechanische eigenschappen van de geprinte constructies. Hoewel er veel weefsels zijn waar dit niet als een prioriteit wordt behandeld, is mechanische sterkte een bijzonder belangrijke eigenschap voor elk construct dat gericht is op het nabootsen van bindweefsel, zoals het hoornvlies en kraakbeen. De sterkte van deze weefsels wordt vaak toegeschreven aan de prominente aanwezigheid van de fibrillaire collagenen in hun extracellulaire matrix, de lange ononderbroken secundaire structuur van de drievoudige helix van de fibrillaire collagenen, en het vermogen van deze drievoudige helixen om uit te lijnen en samen te voegen tot dicht opeengepakte fibrillen. Hoewel fibrillaire collagenen, in het bijzonder collageen type I, gebioprint zijn met behulp van enkele bioprinttechnieken, zijn de mechanische eigenschappen van de resulterende constructies doorgaans erg zwak. De algemene bedoeling van dit proefschrift is om een fundamentele studie uit te voeren naar aerosol-jetprinten van fibrillaire collagenen en deze te ontwikkelen als een methode voor het genereren van mechanisch sterke collageen hydrogels.

Aerosol-jetprinten is een relatief recente elektronische printtechnologie die is ontwikkeld om elektronica op een grotere verscheidenheid aan oppervlakken te printen dan mogelijk is met behulp van reeds bestaande elektronische printtechnologieën. Het bereikt verbeterde afzettingseigenschappen door aërosoldruppels van de inkt naar het substraat te versnellen, gevat in een coaxiale stroom van droog gas. Hierdoor kunnen de aërosol-inktdruppels hun beoogde pad over een grotere afstand voortzetten, waardoor afzetting op ruwe substraten mogelijk wordt. De aerosol-inktdruppels drogen bovendien opmerkelijk snel uit door de hoge oppervlakte-volumeverhouding van een aerosoldruppel. Deze methode om de inkt uit te drogen is bijzonder interessant voor collageenprinten, omdat het een relatief verdunde oplossing mogelijk maakt om te worden verwerkt tot hooggeconcentreerde collageensteigers met een lager risico op thermische denaturatie en zonder het gebruik van giftige oplosmiddelen. Door op deze manier rechtstreeks van oplossing naar vaste stof over te gaan, is het echter onwaarschijnlijk dat collageenfibrillen zich samenvoegen. Om een aerosol te genereren, is het ook nodig om hoge afschuifkrachten op de bulkoplossing uit te oefenen om de kleine aerosoldruppeltjes te produceren. Daarom is het, vooraleer aerosol-jetprinten als een methode voor het printen van collageen wordt voorgesteld, noodzakelijk om vast te stellen of het geprinte materiaal stabiel is en of de afschuifkrachten van aerosolisatie de collageenstructuur beschadigen.

Aerosol-jetprinten werd onderzocht als een methode voor de productie van mechanisch sterke collageensteigers met behulp van één recombinant collageen (recombinant menselijk collageen type III, RHCIII) en twee van dieren afkomstige collagenen; collageen type I afkomstig uit achillespezen van runderen, en collageen type II afkomstig uit gewrichtskraakbeen van varkens. De nauwkeurigheid en stabiliteit van met aerosol geprint collageen werd onderzocht via microscooponderzoek van geprinte steigers. Het effect van de afschuikrachten van aerosolisatie op de structuur van elk gebruikt collageen werd bepaald door natriumdodecylsulfaat-polyacrylamidegelelektroforese (SDS-PAGE), circulair dichroïsme (CD) spectroscopie en in één geval Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie. De mechanische eigenschappen van de geprinte collageensteigers werden gemeten via nano-indentatie met een ferrule-top. De structurele eigenschappen van de aerosol-jetgeprinte collageensteigers werden onderzocht via metingen van de zwelverhouding en scanning-elektronenmicroscopie (SEM).