High-resolution Vat-photopolymerization-based 3D Printing of Biocompatible Materials for Organ-on-a-chip Applications and Capillarics

Karamzadeh, Vahid; Karamzadeh, Vahid

Thesis

High-resolution Vat-photopolymerization-based 3D Printing of Biocompatible Materials for Organ-on-a-chip Applications and Capillarics

Public Deposited

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Creator

Karamzadeh, Vahid

Contributors

David Juncker (Supervisor)

Abstract

English

Vat-photopolymerization (VP)-based 3D printing, with its high-resolution fabrication capabilities, has emerged as a dominant force in the realm of complex design creation. However, a gap remains due to the lack of adequate biomaterials needed for certain specialized applications. Polyethylene glycol diacrylate (PEGDA), considered as a potential substitute for polydimethylsiloxane (PDMS), has indeed allowed for the 3D printing of microfluidic channels, with dimensions as tiny as 20 µm^2. Yet, it falls short in certain microfluidic and organ-on-a-chip (OoC) applications, lacking crucial properties.Promisingly, citrate-based elastomers, such as the poly(octamethylene maleate (anhydride) citrate) (POMaC) elastomer, with their inherent biocompatibility and degradability, provide a plausible solution. However, current fabrication processes for POMaC involve numerous photolithography steps, which can be circumvented by 3D printing.This dissertation primarily focuses on developing suitable biocompatible formulations for VP 3D printing of OoC and microfluidic capillary circuits (CCs). We developed inks based on PEGDA-250 and POMaC to overcome current material limitations. The resulting inks showcased enhanced properties, making them ideal for various biomedical applications.We introduced a hydrophilic ink developed via co-polymerization of the PEGDA-250 monomer with hydrophilic crosslinkers. This development facilitated digital manufacturing (DM) of monolithic, fully functional, and intrinsically hydrophilic CCs. It also supported the advancement of capillary valve designs and the creation of embedded conduits with circular cross-sections, limiting bubble trapping, as well as interwoven circuit architectures useful for immunoassays.A novel nanoporous ink formulation was developed by using a non-reactive PEG as a porogen to increase the nanoporosity of 3D printed parts. 3D-printed nanoporous substrates seeded with endothelial cells resulted in fourfold coverage compared to nonporous ones. We also designed a novel tumor-on-a-chip model featuring a 3D printed microporous gyroid scaffold for growing stromal cells in a central chamber filled with hydrogel and a cancer cell spheroid.An ink for 3D VP printing was developed based on biodegradable, elastic POMaC matching the softness of tissue. This ink was not only 3D printed using high-end DLP printers, but also with low-cost LCD 3D printers, producing complex gyroid scaffolds with small features. Endothelial cell culture confirmed the biocompatibility of the 3D printed scaffolds, and biodegradability was demonstrated in vitro.These advancements contribute to the development of novel 3D printable photocurable inks for TE and microfluidic applications. Future work includes designing inks with tunable porosity from nano to micro range and using a multi-material 3D printing approach to create more functional heterogeneous objects with the developed inks

French

L'impression 3D basée sur la photopolymérisation en cuve (VP), avec ses capacités de fabrication à haute résolution, est devenue une force dominante dans le domaine de la création de designs complexes. Toutefois, une lacune subsiste en raison du manque de biomatériaux adéquats nécessaires à certaines applications spécialisées. Le polyéthylène glycol diacrylate (PEGDA), considéré comme un substitut potentiel du polydiméthylsiloxane (PDMS), a en effet permis l'impression en 3D de canaux microfluidiques dont les dimensions peuvent atteindre 20 µm^2. Cependant, il n'est pas adapté à certaines applications microfluidiques et aux organes sur puce (OoC), car il ne possède pas certaines propriétés cruciales.Les élastomères à base de citrate, tels que l'élastomère poly(octaméthylène maléate (anhydride) citrate) (POMaC), offrent une solution plausible en raison de leur biocompatibilité et de leur dégradabilité inhérentes. Cependant, les processus actuels de fabrication du POMaC impliquent de nombreuses étapes de photolithographie, qui peuvent être contournées par l'impression 3D.Cette thèse se concentre principalement sur le développement de formulations biocompatibles appropriées pour l'impression 3D de POMaC et de circuits capillaires microfluidiques (CCs). Nous avons développé des encres à base de PEGDA-250 et de POMaC pour surmonter les limitations actuelles des matériaux. Les encres obtenues présentent des propriétés améliorées, ce qui les rend idéales pour diverses applications biomédicales.Nous avons introduit une encre hydrophile développée par copolymérisation du monomère PEGDA-250 avec des réticulants hydrophiles. Ce développement a facilité la fabrication numérique (DM) de CC monolithiques, entièrement fonctionnels et intrinsèquement hydrophiles. Il a également permis de faire progresser la conception des valves capillaires et de créer des conduits intégrés à section circulaire, limitant le piégeage des bulles, ainsi que des architectures de circuits entrelacés utiles pour les immunodosages.Une nouvelle formulation d'encre nanoporeuse a été développée en utilisant un PEG non réactif comme porogène pour augmenter la nanoporosité des pièces imprimées en 3D. Les substrats nanoporeux imprimés en 3D et ensemencés de cellules endothéliales ont permis de quadrupler la couverture par rapport aux substrats non poreux. Nous avons également conçu un nouveau modèle de tumeur sur puce comportant un échafaudage gyroïde microporeux imprimé en 3D pour la culture de cellules stromales dans une chambre centrale remplie d'hydrogel et d'un sphéroïde de cellules cancéreuses.Une encre pour l'impression 3D de VP a été développée à partir de POMaC biodégradable et élastique correspondant à la souplesse des tissus. Cette encre a été imprimée en 3D non seulement avec des imprimantes DLP haut de gamme, mais aussi avec des imprimantes 3D LCD bon marché, produisant des échafaudages gyroïdes complexes avec de petites caractéristiques. La culture de cellules endothéliales a confirmé la biocompatibilité des échafaudages imprimés en 3D et la biodégradabilité a été démontrée in vitro.Ces avancées contribuent au développement de nouvelles encres photocurables imprimables en 3D pour les applications TE et microfluidiques. Les travaux futurs comprennent la conception d'encres avec une porosité réglable de la gamme nano à micro et l'utilisation d'une approche d'impression 3D multi-matériaux pour créer des objets hétérogènes plus fonctionnels avec les encres développées

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