Bioprinting of functionalized alginate-nanocellulose scaffolds for 3D cultivation of human dermal fibroblasts

Abstract

Nye systemer for 3D-cellekultivering har blitt forsket på for å forbedre in vitro mikromiljø for celler. Målet til disse systemene er å danne et fysiologisk representativt miljø for cellekulturer slik at man kan undersøke mikromiljø og etablere vev som kan bli brukt i forskning på kreft og utvikling av medisiner. 3D-bioprinting har blitt brukt til å lage spesialtilpassede vekststillas som enten har innkapslede celler i seg eller har blitt sådd med celler på utsiden. En stor utfordring for klinisk bruk av 3D-bioprinting er formuleringen av et bioblekk som både er biokompatibelt og har ønskede strukturelle egenskaper. Hovedmålet med denne oppgaven var derfor å utvikle og karakterisere nye bioblekk av funksjonalisert alginat og nanofibrillert cellulose med mekaniske egenskaper tilpasset 3D-bioprinting og som i tillegg er biokompatibel med menneskelige dermale fibroblaster.

Biomaterialene ble karakterisert med reologiske målinger. Målte flytkurver viste at alginater med høy viskositet også var kvantitativt ansett som gunstige for videre bruk i bioblekk formulering. Bioblekk dannet av TTC/alginat mengdeforhold på 70/30 og 80/20 demonstrerte god printbarhet og produserte homogene filamenter med høy stabilitet både før og etter de var kryssbundet. Bioblekkene ble videre undersøkt i celle-biomaterial interaksjonsstudier hvor celleoverlevelse, morfologi og adhesjon av dermale fibroblaster ble analysert med CLSM. Alle bioblekkene var biokompatible for innkapslede celler ettersom en celleoverlevelse på over 70% var registrert uavhengig om RGD var til stede. Et signifikant høyere antall celler hadde festet seg til bioblekk med RGD-koblet alginat sammenlignet med negative kontroller. Når RGD var til stede ble ingen store forskjeller mellom de ulike alginatene eller mengdeforholdene observert. Alginater med høy molekylvekt og høyt G-innhold ga derfor en fleksibilitet under bioblekk formuleringen og bør bli videre studert for bruk i in vitro vevsdannelse og 3D-bioprinting.

Novel systems for 3D-cell cultivation have been extensively researched to provide better in vitro microenvironments for cells. The goal of such systems is to create physiologically representative cell cultures to investigate microenvironments for cells, and to establish tissues that can be used in cancer and drug research. 3D-bioprinting has been used to create custom-made scaffolds with encapsulated or seeded cells, but the formulation of a bioink that is biocompatible and has suitable structuring properties is one of the critical challenges for the clinical application of 3D-bioprinting. The main objective of this study was to develop and characterize novel bioinks composed of functionalized alginates and nano fibrillated cellulose that had mechanical properties suitable for 3D-bioprinting and were biocompatible with human dermal fibroblasts.

Rheological measurements were conducted to characterize the biomaterials. Measured flow curves demonstrated that the alginates with the highest viscosities also were quantitatively observed as favourable for subsequent bioink formulation. Bioinks composed of TTC/alginate ratios at 70/30 and 80/20 demonstrated great printability and produced homogeneous filaments with high stability before and after crosslinking. The bioinks were further investigated in cell-biomaterial interaction studies where viability, morphology, and adhesion of dermal fibroblasts were analysed by CLSM. Regardless of present RGD, all formulated bioinks were biocompatible for encapsulated cells, demonstrating cell viability above 70%. Significantly higher numbers of seeded cells adhered to RGD-coupled bioinks compared to negative controls. When RGD was present, no clear differences in cell adhesion were seen on either alginate or ratio used. Therefore, alginates with high molecular weight and high G-content allowed flexibility in bioink formulations and should be further investigated for use in tissue engineering and 3D-bioprinting.