Fabrication of 3D multi-Porous Hydrogel Scaffold

Abstract

Engineering complex organ and complicated tissue scaffold is a widely researched area for various therapeutic purposes. However, it is still an ongoing challenge due to many limitations lies in current 3D multi-porous scaffold fabrication methods. In designing 3D multi-porous scaffold, it is very important to mimic native structure of the tissue. Important yet challenging parameters to control in designing scaffold is porosity and multi-scaled pores. Because our complicated organs include diverse type of cells that perform various functions, the desirable scaffold should contain multi mechanical properties and the structures that are biocompatible for different types of cells. Porosity is one of the important factors determining the mechanical properties of scaffold. Therefore, it is very important to control porosity while containing multi-sized pores for allowing diffusion and infiltration of various signaling molecules for cells as well as the cells themselves. Current methods such as gas foaming, freeze drying, electrospinning, solvent leaching, 3D printing have many advantages. However, one method alone cannot fulfill the level of designing complexity of a multi-scaled porous scaffold. Herein, we developed an improved method of producing multi-sized porous 3D scaffold by implementing gas foaming, mechanical fabrication, and 3D printing with gelatin-norbornene base material. Gelatin norbornene provides a unique one-to-one, ene-thiol crosslinking system which allows multiple staged crosslinking process, which can be accurately controlled by the amount of thiol crosslinker added to the polymer solution. Employing these characteristics, we first create a gelatin foam which contains multiple micro-sized pores. And then, fabricate the bulk GelNB foam into the granular shape in various sizes to make it compatible to 3D printing and injectable system. Result showed that the two stages of GelNB crosslinking system allow the fabricated particle inks to further generate multi-sized micropores through the particle-to-particle (inter-particle) second crosslinking process. Hence, by modifying various 3D printing parameters, % porosity of an engineered scaffold can be controlled.

조직 공학은 인공장기 개발 분야에서 굉장히 중요시 되는 연구분야 중 하나인데, 이 이유는 인공 조직이 많은 치료제 전달 물질로 쓰이기도 하고 implantation 물질로 상처 있는 조직이나 구조적 회복을 빠르게 도와주는 물질로 쓰이기 때문이다. 이러한 효과적인 인공 조직을 개발하기 위해서는 실제 체내에 있는 native 조직의 복잡한 구조를 구현하는 것과 동시에 다양한 물리적 성질을 모사하는 것이 중요하다. 물리적 성질과 복잡한 내부 구조는 porosity와 크게 연관이 있는데, 이는 porosity가 높을수록 물리적으로 조직이 약해지고 그 반대의 경우 강해지기 때문이다. 또한 다양한 체내 조직의 기능을 구현하기 위해서는 porosity를 비롯하여 세포의 기능을 돕는 다양한 사이즈의 pore를 3차원적인 복잡한 구조에서 컨트롤 해 주는 것이 필요하다. 하지만 현재까지 개발된 전기 방사, 동결건조, solvent leaching, 3D 프린팅 등의 기술 각 각으로는 이를 효과적으로 구현하기 힘들다. 현재의 방법들을 보완하고 더 발전시켜 다양한 사이즈의 pore를 3차원적인 구조에서 구현하고, porosity를 조절할 수 있는 스캐폴드 공정 방법 개발을 위해서 이 실험에서 multi-stage crosslinking이 가능한 젤라틴 노보닌을 베이스 재료로 사용하였다. 먼저 젤라틴 노보닌을 폼 형태로 만들어 마이크로 포어를 형성하여 준 후, 1차 적으로 crosslinking을 시켜 마이크로 포어를 포함한 폼 형태가 유지되도록 만들어 준다. 그런 다음에는 다양한 사이즈의 주사바늘과 믹서기를 이용하여 폼을 파티클 형태로 잘게 잘라준 후, 이 잘게 자른 파티클을 3D 프린팅 또는 soft lithography 의 잉크 혹은 주 재료로 사용하여 2차로 추가적으로 경화를 시켜주어 복잡한 3D 모양을 구현하면서 multi-sized pore를 가지며 프린팅 parameter를 변화시켜 전체 3D 구조의 porosity를 조절 할 수 있는 방법을 발전시키고자 하였다.