Development of mist-based technologies for droplet-based and coaxial bioprinting of ionically crosslinking hydrogels

Résumé

La bio-impression tridimensionnelle est devenue l'une des majeures techniques de biofabrication pour la fabrication de tissus, permettant une précision et une résolution élevées du dépôt de l’encre. Les hydrogels à réticulation ionique sont parmi les plus couramment utilisés dans la bio-impression tridimensionnelle en raison de leur biocompatibilité, de leur facilité de réticulation et de leur gélification rapide. Les méthodes actuelles de bio-impression d'hydrogels à réticulation ionique reposent sur l'utilisation d'un agent de réticulation liquide, qui empêche un dépôt précis des encres et entraîne une mauvaise résolution et une mauvaise adhésion des couches. En outre, les approches actuelles impliquent de multiples étapes de réticulation et de post-traitement, ce qui prend du temps et pourrait compromettre la fidélité de la forme de la structure imprimée et la viabilité des cellules. Par conséquent, un système amélioré permettant de mieux contrôler le taux de gélification et de collecter l'excès d’agent réticulant sous forme de brumisateur doit être développé. Dans cette thèse, des technologies basées sur le brumisateur sont développées pour la bioimpression tridimensionnelle d’encres d’hydrogel à réticulation ionique. La technique de réticulation par brumisateur est mise en oeuvre pour deux techniques de bio-impression, la bioimpression par gouttelettes et la bio-impression coaxiale. Contrairement aux approches actuelles de la bioimpression par gouttelettes et coaxiale qui utilisent l'agent de réticulation sous forme liquide ou sacrificielle pour construire un échafaudage, les technologies développées introduisent l'agent de réticulation sous forme de brumisateur. Pour l'étude de la bio-impression à base de gouttelettes, la tête d'impression introduit l'agent de réticulation sous forme de brumisateur et comporte un mécanisme d'élimination qui empêche l'accumulation de l'agent de réticulation sur le lit d'impression. Il est démontré que le taux de gélification peut être contrôlé en ajustant le taux de distribution du brumisateur. En conséquence, il est démontré que le taux de distribution du brumisateur a un impact sur la fidélité de la forme et les propriétés mécaniques des constructions imprimées. L'imprimabilité et les propriétés de gonflement des constructions imprimées réticulées en utilisant différents taux de distribution du brumisateur sont étudiées. De plus, les impacts des paramètres d'impression, y compris la hauteur de la tête d'impression, la pression de sortie du brumisateur et les dimensions du canal de la tête d'impression sur la distribution du brumisateur et, par conséquent, sur le taux de gélification dans la tête d'impression, sont étudiés. De plus, en utilisant l'imagerie à haute vitesse, les effets de la concentration du brumisateur et de la vitesse des gouttelettes sur la dynamique de l'impact des gouttelettes sur la surface sont caractérisés. Les résultats montrent que les constructions imprimées à l'aide de la tête d'impression développée présentent une bonne gélification des gouttelettes et une bonne adhésion des cogouttelettes, ainsi qu'un niveau élevé de viabilité cellulaire. Pour l'étude de la bio-impression coaxiale, la technologie à base de brumisateur est évaluée pour la fabrication de fibres creuses en une seule étape. Grâce à l'exposition contrôlée de l'agent de réticulation, le système développé évite une mauvaise résolution et une mauvaise adhésion des couches causées par l'accumulation d'agent de réticulation liquide sur le lit d'impression. En outre, il élimine les étapes de traitement supplémentaires, telles que la réticulation partielle de l'hydrogel avant ou l'élimination du matériau sacrificiel après l'impression. L'imprimabilité et les propriétés mécaniques des échafaudages de fibres creuses imprimés en utilisant différentes concentrations de brumisateur et d'hydrogel sont étudiées. Il est démontré que la concentration du brumisateur influence le taux de gélification de la fibre creuse, ce qui a un impact sur la fidélité de la forme, l'adhésion des couches et les propriétés mécaniques des structures imprimées. De plus, les effets des paramètres d'impression, y compris la pression du noyau du brumisateur et le débit de l'hydrogel, sur le diamètre et l'épaisseur de la paroi de la fibre creuse sont étudiés. En outre, les échafaudages imprimés et réticulés à l'aide du brumisateur présentent une viabilité cellulaire supérieure à 90 %. Le système coaxial à base de brumisateur développé permet l'impression directe de fibres creuses continues. La technologie de réticulation basée sur le brumisateur exploite les avantages des techniques de bio-impression, tout en offrant un meilleur contrôle de la vitesse de gélification et en empêchant l'accumulation d'un excès de réticulant sur le lit d'impression. En outre, les technologies développées basées sur le brumisateur font progresser l'applicabilité de la bioimpression basée sur les gouttelettes et coaxiale pour fabriquer des échafaudages complexes et biocompatibles pour les applications d'ingénierie tissulaire.

Date	28 avr. 2023
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ali Ahmadi (Directeur(-trice))