Tilbake til søkeresultatene

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

3D Printed Engineered Nano-Composite Templates for Bone Regeneration

Alternativ tittel: 3D-printede spesialtilpassede nanokompositt-implantater for beingjenoppbygging

Tildelt: kr 12,0 mill.

Prosjektnummer:

302043

Søknadstype:

Prosjektperiode:

2020 - 2024

Geografi:

Store beindefekter på grunn av traumer, medfødt misdannelse eller fjerning av svulster regnes som betydelige helseproblemer over hele verden. Bone Tissue Engineering (BTE) har utviklet en ny tilnærming for å behandle eller reparere beinfeil. I BTE implanteres 3D-scaffolds (konstruerte biomaterialer) fylt med pasientens stamceller og/eller biologiske molekyler i det skadede området for å stimulere de naturlige beinhelingsprosessene. Nylig har 3D bioprinting -teknologien blitt introdusert for å lage scaffolds som ligner pasientens naturlige bein. Det langsiktige målet med det nåværende prosjektet er å lage 3D-printet beinimplantater tilpasset pasienten til en rimelig pris. I den første fasen av prosjektet optimaliserte teamet ved Universitetet i Bergen (UiB) designfunksjonene (geometri og porestørrelse) til polycaprolactone scaffolds. Teamet ved Høgskolen i Vestlandet (HVL) designet og 3D-printet scaffolds med gyroidgeometri som har ulik porøsitet og porestørrelser. Ulike 3D-printing parametere (hastighet, trykk, temperatur) ble også testet, og scaffolds ble vellykket printet med høy formfasthet og nøyaktighet. I samarbeid med Fraunhofer Institute i Tyskland begynte UiB å optimalisere det dynamiske cellekulturmiljøet ved å prøve forskjellige flow rates i en spesialdesignet laminar flow bioreaktor. Vår internasjonale samarbeidspartner, Institute of Science and Technology for Ceramics in Italy (ISTEC-CNR) utarbeidet og karakteriserte to typer nanohydroxyapatite (nHA) med ulik kjemisk sammensetning og morphology. I samarbeid med UiB ble disse nHA-partiklene tilsatt i gelatinbasert hydrogel med mesenkymale stamceller (hBMSC) fra menneskelig benmarg for å konstruere den første bioink i prosjektet. Ulike formuleringer av denne bioink ble optimalisert og karakterisert i forbindelse med nHA -konsentrasjon, printability og viskositet. Man fant da at nHA-partiklene forbedret viskositeten til bioinkene. Den kortsiktige og langsiktige effekten av disse nHA-partiklene på hBASC bekreftet deres cytocompatibility. Forskerteamet ved University Politehnica i Bucuresti i Romania (PUB) utarbeidet en oxidized alginate hydrogel og functionalized den med forskjellige konsentrasjoner av nanodiamondpartikler (NDP). De utviklede alginat-NDP-hydrogelene ble karakterisert med tanke på kjemisk struktur og viskositet. Partneren RISE PFI i Trondheim forberedte vellykket biokompatibel oksidert nanocellulose med allsidig overflatekjemi. UiB utviklet den andre bioinken i prosjektet ved å blande oxidized alginate, nanocellulose, nHA og hBMSCs. Den utviklede bioink ble også karakterisert i printability, rheology, cell viability and functionality. Bioprintingsparametrene (hastighet, trykk, temperatur) ble optimalisert for forskjellige biokoblinger for å sikre produksjon av høy shape fidelity og nøyaktighet.

Recent clinical studies performed by our group and other clinical partners in Europe, propose alternatives to conventional treatment modalities by using the concept of tissue engineering in which engineered biomaterials (scaffolds) are used to deliver mesenchymal stem cells (MSC) and/or growth factors. Although there have been some successes, bone tissue engineering needs to overcome several challenges to meet clinical and commercialization needs. Among these challenges, the limitations of scaffolding biomaterials to mimic the macro to nanoscale structures of native tissues. Current bone scaffolds suffer from impaired cellular responses, inadequate delivery of growth factors, insufficient mechanical strength and incorrect design. The significance of the current project lies on combining nanotechnology and 3D printing technology. The synergetic impact of such integrated technologies has a potential to advance the field of bone tissue engineering by developing biomimetic multiscale multifunctional scaffolds for enhanced cell response and growth factor delivery. In 3DPRENT, oxidized cellulose nanofibers (CNF)-based hydrogel will be functionalized with nano-hydroxyapatite (nHA) for osteoconductivity, nanodiamond particles (nDP) to deliver vascular endothelial growth factor (VEGF) and finally to bioprint mesenchymal stem cells (MSC). For mechanical stability and vascularization, hydrogel layers will be reinforced with 3D printed microchannel network of a thermoplastic polymer modified with (nHA). The bioengineered constructs will be fabricated based on computational model-informed design, cultured in a dynamic in vitro conditions and finally validated in relevant pre-clinical animal models. 3DPRENT will develop not only outstanding basic scientific knowledge but also sustainable solutions and innovations based on nanotechnology, 3D printing and stem cells thus improving health and promoting new medical technology to meet the needs of society.

Aktivitet:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale