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Confidential
Peter ¡Dubruel, ¡PBM ¡UGent ¡ and ¡its ¡collaborators ¡ ¡ ¡
3D ¡prin(ng ¡of ¡hydrogel ¡building ¡blocks: ¡going ¡ biopolymers ¡or ¡synthe(c? ¡
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Milan, ¡16-‑02-‑17 ¡
3D prin(ng of hydrogel building blocks: going - - PowerPoint PPT Presentation
3D prin(ng of hydrogel building blocks: going biopolymers or synthe(c? Peter Dubruel, PBM UGent Milan, 16-02-17
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Peter ¡Dubruel, ¡PBM ¡UGent ¡ and ¡its ¡collaborators ¡ ¡ ¡
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Milan, ¡16-‑02-‑17 ¡
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PTFE ¡ PET ¡ PMMA ¡ PVC ¡ PE ¡ PUR ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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BIOMEDICAL ¡ ¡ POLYMERS: ¡ ¡ A ¡REAL ¡NEED ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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¡-‑ ¡poly-‑ε-‑caprolactone: ¡PCL ¡ ¡-‑ ¡methacrylamide ¡modified ¡gelaHn: ¡Gel-‑MOD ¡ ¡-‑ ¡acrylate ¡end-‑capped ¡macromonomers: ¡AECM ¡ ¡
¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡melt ¡(PCL)) ¡ ¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡soluHon ¡(GEL-‑MOD) ¡ ¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡melt ¡or ¡soluHon ¡(AECM) ¡and ¡more ¡ ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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pa(ent-‑specific ¡ implants ¡ PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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¡-‑ ¡poly-‑ε-‑caprolactone: ¡PCL ¡ ¡-‑ ¡methacrylamide ¡modified ¡gelaHn: ¡Gel-‑MOD ¡ ¡-‑ ¡acrylate ¡end-‑capped ¡macromonomers: ¡AECM ¡ ¡
¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡melt ¡(PCL)) ¡ ¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡soluHon ¡(GEL-‑MOD) ¡ ¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡melt ¡or ¡soluHon ¡(AECM) ¡and ¡more ¡ ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
Confidential
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Gel NH2 + H2C C CH3 C O O C O C CH3 CH2 Gel NH C O C CH2 CH3
FDA ¡approved ¡ no ¡cell ¡binding ¡ degradable ¡sutures ¡
Acrylate ¡ Acrylate ¡ Spacer ¡ Spacer ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Backbone ¡
Houben et al, Novel urethane based materials, derivatives, methods of
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
Confidential
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Gel NH2 + H2C C CH3 C O O C O C CH3 CH2 Gel NH C O C CH2 CH3
FDA ¡approved ¡ no ¡cell ¡binding ¡ degradable ¡sutures ¡
Acrylate ¡ Acrylate ¡ Spacer ¡ Spacer ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Backbone ¡
Houben et al, Novel urethane based materials, derivatives, methods of
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
Confidential
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Gel NH2 + H2C C CH3 C O O C O C CH3 CH2 Gel NH C O C CH2 CH3
FDA ¡approved ¡ no ¡cell ¡binding ¡
O O O O O O O O ε-caprolacton O O lactide glycolide
Acrylate ¡ Acrylate ¡ Spacer ¡ Spacer ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Backbone ¡
Houben et al, Novel urethane based materials, derivatives, methods of
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
Confidential
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Gel NH2 + H2C C CH3 C O O C O C CH3 CH2 Gel NH C O C CH2 CH3
T ↓ SOL state T ↑ GEL state SOL-GEL 30-35°C UCST
FDA ¡approved ¡ no ¡cell ¡binding ¡
Acrylate ¡ Acrylate ¡ Spacer ¡ Spacer ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Backbone ¡
Houben et al, Novel urethane based materials, derivatives, methods of
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
Confidential
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Gel NH2 + H2C C CH3 C O O C O C CH3 CH2 Gel NH C O C CH2 CH3
FDA ¡approved ¡ no ¡cell ¡binding ¡ PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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Acrylate ¡ Acrylate ¡ Spacer ¡ Spacer ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Backbone ¡ Backbone ¡
Hydrophillic ¡or ¡hydrophobic ¡
Mechanical ¡characterisHcs ¡
DegradaHon ¡
Reacts ¡with ¡hydroxyl ¡funcHonal ¡group ¡
Fast, ¡two-‑step ¡reacHon ¡
Easy ¡scale-‑up ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Spacer ¡
PEG ¡=> ¡hydrogel ¡
PCL ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
Confidential
¡ Tm= ¡38°C ¡
Acrylate ¡ Acrylate ¡ Spacer ¡ Spacer ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Backbone ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
Confidential
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0,1 ¡ 1 ¡ 10 ¡ 100 ¡ 1000 ¡ 10000 ¡ 100000 ¡ 1000000 ¡ 0 ¡ 200 ¡ 400 ¡ 600 ¡ 800 ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡AUP ¡50 ¡wt% ¡
G' ¡(AUP ¡50 ¡wt% ¡+ ¡0.2 ¡wt% ¡HCPK) ¡ G' ¡(AUP ¡50 ¡wt%) ¡ G'' ¡(AUP ¡50 ¡wt% ¡+ ¡0.2 ¡wt% ¡HCPK) ¡ G'' ¡(AUP ¡50 ¡wt%) ¡
Acrylate ¡ Acrylate ¡ Spacer ¡ Spacer ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Backbone ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
Confidential
¡ ¡ ¡ ¡
prepolymer ¡content ¡
¡ 9 ¡g ¡ 1 ¡mL ¡
50 ¡ 60 ¡ 70 ¡ 80 ¡ 90 ¡ 100 ¡ 0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 8 ¡ 9 ¡ 0 ¡ 0,5 ¡ 1 ¡ Gel ¡frac(on ¡(%) ¡ Swelling ¡ra(o ¡ Ini(al ¡precursor ¡frac(on ¡(vol ¡ra(o) ¡
Acrylate ¡ Acrylate ¡ Spacer ¡ Spacer ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Diiso-‑ cyanate ¡ Backbone ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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¡-‑ ¡poly-‑ε-‑caprolactone: ¡PCL ¡ ¡-‑ ¡methacrylamide ¡modified ¡gelaHn: ¡Gel-‑MOD ¡ ¡-‑ ¡acrylate ¡end-‑capped ¡macromonomers: ¡AECM ¡ ¡
¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡melt ¡(PCL)) ¡ ¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡soluHon ¡(GEL-‑MOD) ¡ ¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡melt ¡or ¡soluHon ¡(AECM) ¡and ¡more ¡ ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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TOP ¡ CROSS ¡ TOP ¡
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Perfectly ¡inter-‑connec(ve ¡3D-‑scaffolds ¡can ¡ be ¡produced ¡in ¡a ¡reproducible ¡fashion ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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Op(miza(on ¡was ¡performed ¡on ¡2D ¡samples, ¡subsequent ¡ transfer ¡to ¡3D-‑scaffolds ¡was ¡realized ¡ PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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Osteosarcoma ¡culture ¡(original ¡magnificaHon ¡x ¡10) ¡ Osteosarcoma ¡culture, ¡negaHve ¡control ¡(suspension ¡plate) ¡ and ¡posiHve ¡control ¡(normal ¡TCPS) ¡(original ¡magnificaHon ¡ x ¡10) ¡
Ø PCL ¡and ¡PCL-‑AEMA ¡: ¡low ¡adhesion ¡and ¡ proliferaHon ¡(clusters), ¡poor ¡viability ¡ Ø PCL-‑Gel ¡and ¡PCL-‑Gel ¡Fn ¡: ¡good ¡adhesion, ¡ proliferaHon ¡and ¡viability ¡ ¡
Op(miza(on ¡was ¡performed ¡on ¡2D ¡samples, ¡subsequent ¡ transfer ¡to ¡3D-‑scaffolds ¡was ¡realized ¡ PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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7 ¡days ¡ hPDCs ¡ 14 ¡days ¡ hPDCs ¡ ¡
all ¡scaffolds ¡are ¡PCL-‑GelB ¡ Fn ¡coated ¡ 2D ¡to ¡3D ¡ transfer ¡ realized ¡ PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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ECM mimetic cells or – aggregates 3D printing
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Gel NH + H C C C O C C CH CH O CH O
2 2 2 3 3
Gel N C C CH O CH
2 3
H
EDC/NHS Galactose ¡moiety ¡ (specific ¡recogniHon ¡ spot ¡for ¡ASGP ¡receptor) ¡ ¡ ¡ Galactosylated gelatin Typically ¡around ¡ 20-‑25% ¡galactosyla(on ¡ ¡ ¡ Vinyl modified gelatins Galactosylated gelatins Gelatin type B codes
Gelatin type A code
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PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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between a complex set of sometimes inter-related parameters: printing speed, printing temperature, needle type and - diameter, UV type, and time, cell type, … PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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Aeer ¡UV-‑crosslinking ¡ Swollen ¡
Polymer ¡is ¡heated ¡above ¡melHng ¡point ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(37°C ¡=> ¡no ¡detrimental ¡temperatures ¡) ¡
Solidifies ¡upon ¡extrusion ¡
Separate ¡curing ¡step ¡aeer ¡prinHng ¡
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Network ¡ formaHon ¡in ¡ water ¡
Using ¡clay-‑based ¡silicate ¡addiHve: ¡
Controls ¡viscosity ¡
Shear-‑thinning ¡=> ¡3D ¡prinHng ¡
Promotes ¡cell ¡adhesion ¡
Possibility ¡of ¡cell ¡encapsulaHon ¡
Gahawar ¡et ¡al, ¡Transparent, ¡ elastomeric ¡and ¡tough ¡hydrogels ¡ from ¡poly(ethylene ¡glycol) ¡and ¡ silicate ¡nanoparHcles. ¡Acta ¡ Biomaterialia ¡(2001) ¡4139-‑4148 ¡
Case ¡study: ¡ ¡ ¡ ¡PrinHng ¡of ¡human ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡meniscus ¡from ¡ MRI-‑Scan ¡
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Principle: ¡ ¡
Laserbeam ¡is ¡focused ¡in ¡1 ¡point ¡
Local ¡polymerizaHon ¡
CreaHng ¡microstructure ¡ Conven(onal: ¡ ¡
Always ¡in ¡liquid ¡state ¡
Difficult ¡to ¡select ¡good ¡PI ¡ ⇒ Not ¡many ¡commercial ¡PI’s ¡ Highly ¡reac(ve ¡precursor: ¡
2pp ¡in ¡solid ¡state ¡
No ¡PI ¡needed ¡ ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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Template ¡is ¡produced ¡using ¡fast, ¡ affordable ¡3D ¡printer ¡
Large ¡range ¡of ¡polymer ¡ concentraHons: ¡10-‑100 ¡wt% ¡
Higly ¡tunable ¡characterisHcs: ¡
3 30 60 90 cycle load [N] initial AUP concentration [w/w%] 1st cycle swollen scaffolds 10th cycle swollen scaffolds Texturometry ¡ ¡ (Load ¡for ¡1 ¡mm ¡comperssion) ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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¡-‑ ¡poly-‑ε-‑caprolactone: ¡PCL ¡ ¡-‑ ¡methacrylamide ¡modified ¡gelaHn: ¡Gel-‑MOD ¡ ¡-‑ ¡acrylate ¡end-‑capped ¡macromonomers: ¡AECM ¡ ¡
¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡melt ¡(PCL)) ¡ ¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡soluHon ¡(GEL-‑MOD) ¡ ¡-‑ ¡direct ¡prinHng ¡from ¡melt ¡or ¡soluHon ¡(AECM) ¡and ¡more ¡ ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
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WE ¡WILL ¡CONTINUE ¡TO ¡REPAIR ¡BODY ¡DEFECTS ¡… ¡USING ¡3D ¡ PRINTING ¡
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡
THE EUROPEAN SOCIETY FOR BIOMATERIALS
Registration @ http://www.pbm.UGent.be
¡ ADVANCED ¡MATERIALS ¡FOR ¡BIOMEDICAL ¡APPLICATIONS ¡ ¡ ¡ Ghent, ¡Belgium ¡ ¡ September ¡27th-‑29th ¡2017 ¡ ¡
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PBMUGent ¡@ ¡Rytro ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡PSB ¡Annual ¡meeHng ¡
Confidential
PBMUGent ¡@ ¡Milan ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Milan ¡Polymer ¡Days ¡2017 ¡