Development by 3D bioprinting and characterization of natural biomaterials for tissue engineering applications - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2021

Development by 3D bioprinting and characterization of natural biomaterials for tissue engineering applications

Élaboration par bio-impression 3D et caractérisation de biomatériaux naturels pour l'ingénierie tissulaire

Aurelia Poerio
  • Function : Author
  • PersonId : 1052552

Abstract

3D bioprinting is a tissue engineering technology based on the combination of biomaterials, cells and bioactive molecules for the fabrication of tissue substitutes able to restore, replace and/or repair the damaged ones. Biomaterials act as a temporary extracellular matrix and promote the migration, proliferation and differentiation of cells. This ability is either due to biomaterial's intrinsic properties or to their modification through the inclusion of biochemical cues, such as growth factors. The objective of this thesis is to develop new biomaterials allowing 3D printing and new strategies allowing for their application in tissue engineering, using, in particular, the technology of 3D bioprinting. In order to do that, we firstly extracted chitin from an unusual source, cicadas sloughs, and transformed it into its derivative chitosan. These two polysaccharides were characterized from a physicochemical point of view. Furthermore, for the first time to our knowledge, we also characterized the raw material (i.e., cicada sloughs) and the intermediary products of the extraction process, which proved important to evaluate the stability of cicada sloughs as a source of chitin. Chitosan, a derivative of chitin, was then used to develop new biomaterial inks for extrusion 3D printing through its combination with two natural gums: guar gum and tamarind gum. These are polysaccharides derived from seed plants and widely used as thickening and gelling agents by the food industries. Their addition to chitosan improved its printability and, through a dual gelation mechanism, led to the fabrication of stable 3D constructs with improved mechanical properties. Subsequently, after reviewing the 3D bioprinting strategies used to control the release of growth factors from 3D printed and bioprinted constructs, PLGA microspheres were included into a 3D bioprinted skeletal muscle construct as neurotrophic factors delivery system in order to improve and accelerate the innervation of the developed scaffold.
La bio-impression 3D est une technologie d'ingénierie tissulaire basée sur la combinaison de biomatériaux, de cellules et de biomolécules pour la fabrication de substituts tissulaires capables de restaurer, remplacer et/ou réparer les tissus endommagés. Les biomatériaux agissent comme une matrice extracellulaire temporaire et favorisent la migration, la prolifération et la différenciation des cellules. Cette capacité peut être due aux propriétés intrinsèques des biomatériaux, ou à l'inclusion de signaux biochimiques, tels que des facteurs de croissance. L’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux biomatériaux permettant l'impression 3D, mais également de trouver de nouvelles stratégies permettant leur application en ingénierie tissulaire, à l’aide de la technologie de la bio-impression 3D. Pour ce faire, nous avons d'abord extrait la chitine d'une source peu commune, les mues de cigales et nous l'avons transformé en son dérivé le chitosane. Ces deux polysaccharides ont ensuite été caractérisés d'un point de vue physico-chimique. Pour la première fois à notre connaissance, nous avons également caractérisé la matière première (c'est à dire les mues de cigale) et les produits intermédiaires du procédé d'extraction, qui se sont avérés importants pour évaluer la stabilité des mues de cigales en tant que source de chitine. Le chitosane, un dérivé de la chitine, a ensuite été utilisé pour développer de nouvelles encres pour l’impression 3D grâce à sa combinaison avec deux gommes naturelles : la gomme de guar et la gomme de tamarin. Ces deux gommes sont des polysaccharides dérivés de plantes à graines et largement utilisés comme agents épaississants et gélifiants par les industries alimentaires. Leur combinaison avec le chitosane a amélioré son imprimabilité et, grâce à un mécanisme de double gélification, a conduit à la fabrication de constructions en 3D aux propriétés mécaniques améliorées. Par la suite, après avoir examiné les stratégies de bio-impression 3D utilisées pour contrôler la libération de facteurs de croissance à partir de constructions bio-imprimées, des microsphères de PLGA libérant des facteurs neurotrophiques ont été incluses dans une construction de muscle squelettique bio-imprimée afin d'améliorer et d'accélérer l'innervation de la structure 3D.
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Origin : Files produced by the author(s)

Dates and versions

tel-03669911 , version 1 (04-12-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03669911 , version 1

Cite

Aurelia Poerio. Development by 3D bioprinting and characterization of natural biomaterials for tissue engineering applications. Materials. Université de Lorraine, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0256⟩. ⟨tel-03669911⟩
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