Cellulose nanofibril- and chitin nanofibril-based materials: fibers, scaffolds and tubes

Torres Rendon, Jose Guillermo; Pich, Andrij; Möller, Martin

doi:HT019118227

Cellulose nanofibril- and chitin nanofibril-based materials: fibers, scaffolds and tubes = Materialien auf Basis von Zellulose- und Chitin-Nanofasern: Faser, Gerüststrukturen und Röhren

Torres Rendon, Jose Guillermo

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science José Guillermo Torres Rendón

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (ix, 114 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor) ; Pich, Andrij (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-10-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-078662
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/670892/files/670892.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/670892/files/670892.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cellulose (frei) ; chitin (frei) ; nanofibrils (frei) ; wet stretching (frei) ; scaffolds (frei) ; biomedicine (frei) ; hollow fibers (frei) ; tubes (frei) ; cell constructs (frei) ; fibers (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Erneuerbare Ressourcen wie Zellulose Nanofibrillen (CNFs) und Chitin Nanofibrillen (ChNFs) sind von besonderen Interesse als Biopartikel aufgrund ihr Eigenschaften, wie zum Beispiel besonders gute mechanische Eigenschaften, hoher Grad an Oberflächenfunktionalitäten, thermische Stabilität, Gasbarriere Eigenschaften, Biokompatibilität und ihre weltweite Verfügbarkeit aus erneuerbaren Quellen und Abfallprodukten. Die Forschung auf dem Gebiet der Materialien aus CNFs oder ChNFs steckt derzeitig noch in den Kinderschuhen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit fundamentaler Grundlagenforschung bzgl. der Herstellung und Charakterisierung von CNF- und ChNF-basierten Materialien. Die Verknüpfung von definierten nanoskaligen Bausteinen mit fortgeschrittenen Fertigungsmethoden ist von eminenter Bedeutung zur Gewinnung funktioneller Materialien (über mehrere Dimensionen). Bezüglich der mechanischen Eigenschaften der gewonnen Materialien muss zu Beginn ein Weg entwickelt werden, in dem die Orientierung der CNFs und ChNFs kontrolliert werden kann bzw. bestimmt werden, in wie weit die Orientierung der Verstärkungsfasern mit den makroskopischen mechanischen Eigenschaften verknüpft sind. In diesem Zusammenhang werden CNF- und ChNF-Dispersionen verwendet um Hochleistungsfasern zu gewinnen, wobei umweltfreundlichere Wege als bisher zur Herstellung verwendet wurden. In Kapitel 2 zeige ich die Möglichkeit von auf makroskopische Fasern, aus CNFs und ChNFs, nass zu Verstrecken um somit eine höheren Grad an Orientierung zu erreichen und sich eine innere Anordnung in den Fasern in den mechanischen Eigenschaften widerspiegelt. Es werden für beide Materialien (CNFs und ChNFs) ähnliche Anordnungen in den Makrofasern, bestehend aus den nanofibrillaren Fasern, gefunden, wohingegen sich die mechanischen Eigenschaften in Bezug auf das E-Modul verändern. Für die Fasern, auf Basis von CNFs haben einen wesentlich höheres Modul (ECNF = 33 GPa) im Vergleich zu den ChNFs basierten (EChNF = 12 GPa). Dieser Unterschied beruht auf den Eigenschaften bzw. der unterschiedlichen Zusammensetzung und der zugrundeliegenden Kristallinität und der resultierenden Steifigkeit der nanofibrillaren Grundbausteine. Diese Untersuchung zeigt die Unterschiede in Bezug auf die Steifigkeit der Materialien aus CNFs und ChNFs auf und deckt die verschiedene Belastbarkeit für die beiden Materialklassen an Nanopartikeln auf.Zusätzlich zu den mechanischen Eigenschaften habe ich auch die Möglichkeiten von CNFs und ChNFs im Bereich des „Tissue Engeneering“ untersucht. Dazu habe ich Gerüste hergestellt, die potentiell als Stützmaterial bei der Regeneration von Knochengewebe dienen können. Die zugehörigen Ergebnisse sind in Kapitel 3 zu finden. Die Entwicklung von hierarchisch geordneten Materialien mit Maßgeschneiderter Macro- und Nanoporosität stellt auch weiterhin eine Herausforderung im Bereich der Materialentwicklung dar. Derartige Materialen sind essentiell für eine große Zahl von Technologien, ins besondere im Bereich des „Tissue Engeneering“. Die Herstellung von Hydrogel-Gerüsten mit definierten Topographien über alle Längenskalen erlaubt es die Anordnung von Zellen zu Geweben zu kontrollieren. Dazu habe ich eine einfache Inverse-Template-Strategie entwickelt, welche die Herstellung von nanofibrillaren Hydrogel-Gerüsten mit definierter Macro- und Nanoporosität ermöglicht. Zunächst wurde in Kooperation mit der Wessling Gruppe (DWI) ein lithographischer Prozess entwickelt, aus dem ein auflösbares Gyroid-Gerüst auf Basis eines basen-löslichen Harzes hervorging. Nachdem der Infiltration mit Hydrogelen aus hochkristallinen und steifen CNFs und ChNFs konnten die Template einfach in schwach alkalischen Lösungen aufgelöst werden, um so Hydrogel-Kopien des Gerüstes zu erhalten. Dieser einfache Ansatz stellt eine Plattform-Technologie dar, die in einer Reihe von Hydrogel-basierten Materialien mit de novo designten Poren-Strukturen Anwendung finden kann.Anschließende Studien mit lebenden Zellen wurden in Kooperation mit Dr. John Hardy (derzeit Lancaster University, UK) und Laura de Laporte (DWI) durchgeführt. Sie bestätigten die biokompatibilität der CNF und ChNF-basierten Gerüste und verdeutlichten gleichzeitig wichtige Unterschiede bei der Zelladsorption. Eine anschließende Kollagen-Knochen imitierende Beschichtung der Beschichtung der Hydrogel-Gerüste führte letztendlich zur Differenzierung von menschlichen mesynchymalen Stammzellen (HMSCs) zu osteogenen Zellen.In der letzten duchgeführten Studie dieser Arbeit (Kapitel 4), wird das Prinzip der Inversen Vorlage weiterverwendet, allerdings wurde diesmal CNF Hohlfasern als Opfertemplat verwendet um ein röhrenartiges Zellkonstrukte auf makroskopischer Ebene zu erhalten. Es wird gezeigt, das CNF Dispersionen in komplexe Formen verarbeitet werden können und als Opfertemplat zur Darstellung von selbsttragenden Zellkonstrukten. Darüber hinaus wird der Ansatz verfolgt, Hohlfasern darzustellen indem sie kontrolliert durch eine Rundöffnung in ein Koagulationsbad extruiert wird. Die Abmessungen der Hohlfaser können eingestellt werden und die Wanddicke der finalen Röhren kombiniert die Porosität von CNF Hydrogelen mit Submilimeter Wanddicke und Längen im Zentimetermaßstab können so erhalten werden. Darüber hinaus wird gezeigt, das kovalente und supramolekulare Quervernetzung von CNFs verwendet werden kann um die mechanischen Eigenschaften der Hydrogelfasern um eine Größenordnung zu verändern, in einem für die Mechanonisation der Zellen relevanten Bereich. Die erhaltenen Röhren sind im hohen Maße Biokompatibel und erlauben das Wachstum von Maus Fibrioblasten in kofluente Zellschichten im Inneren. Durch ein detailliertes Screening von verschiedenen Zellulasen zum Abbau der formgebenden CNF Hydrogel Vorlage konnte eine schnelle und besonders zellschonende Zersetzung erreicht werden und somit eine Isolation von zusammenhängenden Zellröhren. Die wachsenden Möglichkeiten der 3D Drucktechnik im Kombination mit den attraktiven Eigenschaften von CNFs – Nachwachsend, global Verfügbar, Biokompatibel und enzymatisch Zersetzbar – wird in Zukunft die Produktion von pflanzenbasierte Biomaterialien mit hierarchischen Strukturen und Zersetzung nach Bedarf ermöglichen. Diese Materialien können zur Entwicklung komplexer Zellmodelle verwendet werden um z.B. als alternative zu Tierversuchen und für Implantate.

Renewable cellulose nanofibrils (CNFs) and chitin nanofibrils (ChNFs) are very attractive bionanoparticles due to their outstanding properties such as remarkable mechanical properties, flexible surface functionalities, thermostability, barrier properties, large surface area, biocompatibility and for their global availability from renewable resources and food waste. Nowadays, the research concerning materials based on CNFs and ChNFs is still in its infancy. This thesis deals with fundamental and groundbreaking research regarding CNF- and ChNF-based materials (fibers, hollow fibers and scaffolds) in connection with additive manufacturing techniques. The merging of defined nanoscale building blocks with advanced additive manufacturing techniques is of eminent importance for the preparation of multiscale and highly functional materials with de-novo designed architectures.In terms of mechanical properties, one major bottleneck to maximize those of materials based on CNFs and ChNFs (e.g. nanopapers and macroscale fibers) is to find pathways to control their direction of alignment and understand how preferred alignment correlates with macroscale mechanical properties. In this context, I processed CNF and ChNF dispersions into high-performance macroscopic fibers using much more environmentally friendly routes compared to the established processes to produce cellulose- and chitin-based macrofibers. In chapter 2, I show that strain-rate controlled wet-stretching of rehydrated macroscale fibers composed of CNFs and ChNFs induces a high degree of orientation and also that the degree of alignment scales with macroscale mechanical stiffness. I find similar degrees of alignment in both types of nanofibril-based macrofibers, yet substantially different macroscale stiffness, with the CNF-based fibers (ECNF = 33 GPa) outperforming the ChNF-based ones (EChNF = 12 GPa) considerably. These differences can be correlated to the mechanical properties of the underlying cellulose I and α-chitin crystals and the degree of crystallinity of the nanofibrils, which both govern the stiffness of an individual nanofibril. This study likely demonstrates the maximum performance in terms of stiffness of materials prepared by CNFs and ChNFs and reveals a critical difference in the performance of both classes of bionanoparticles. Beyond mechanical properties, I explored the capabilities of CNFs and ChNFs in the field of tissue engineering by fabricating scaffolds with potential applications as temporal supports during the regeneration of bone tissue. This study is shown in chapter 3. The development of hierarchically ordered materials having designed porosities from the macro to nanoscales remains very challenging in material science and engineering. Such materials are essential to a wide range of technologies, in particular for tissue engineering, where producing hydrogel scaffolds with multi-scale topographies potentially allows the instruction of cellular behavior to target the organization of tissues. To address these issues, I developed a simple inverse templating strategy that enables the preparation of nanofibrillar hydrogel scaffolds with defined porosities in the macro- and nanoscale. First, together with the Wessling group (DWI), we designed a lithographic process that furnishes sacrificial gyroid scaffolds, based on a resin that degrades in alkaline media. After infiltration with hydrogels of highly crystalline and stiff CNFs and ChNFs, the templates were simply dissolved in mild alkaline solution, and hydrogel replicas of the templates were obtained. This simple approach represents a platform fabrication method for a range of hydrogel-based materials with de novo designed pore geometries. Subsequent cell studies in collaboration with Dr. John Hardy (presently at Lancaster University, UK) and Laura de Laporte (DWI) confirmed the biocompatibility of the CNF and ChNF-based scaffolds and revealed important differences in terms of cell attachment. Differentiation of human mesenchymal stem cells (HMSCs) into osteogenic outcome could be facilitated using a collagen bone mimetic coating, rendering these scaffolds interesting for bone tissue engineering.In the last study performed in this thesis (shown in chapter 4), I continued using the concept of reverse templating but this time using CNF hollow tubes as sacrificial templates to create macroscale tubular cell constructs. I demonstrate that dispersions of CNFs can be processed into complex shapes, and used as a sacrificial template to prepare freestanding cell constructs. I showcase the approach for the fabrication of hollow fibers using a controlled extrusion through a circular die into a coagulation bath. The dimensions of the hollow fibers are tunable, and the final tubes combine the nanofibrillar porosity of the CNF hydrogel with a sub-millimeter wall thickness and centimeter-scale length provided by the additive manufacturing technique. I also demonstrate that covalent and supramolecular cross-linking of the CNFs can be used to tailor the mechanical properties of the hydrogel tubes within one order of magnitude and in an attractive range for the mechanosensation of cells. The resulting tubes are highly biocompatible and allow for the growth of mouse fibroblasts into confluent cell layers in their inner lumen. A detailed screening of several cellulases enables to degrade the scaffolding, temporary CNF hydrogel tube in a quick and highly cell-friendly way, and allows the isolation of coherent cell tubes. I foresee that the growing capabilities of 3D printing techniques in combination with the attractive features of CNFs – sustainable, globally abundant, biocompatible and enzymatically degradable – will allow to make plant-based biomaterials with hierarchical structures and on-demand degradation useful for instance to engineer complex tissue structures to replace animal models, and for implants.

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