Développement d'une encre composite constituée de collagène marin et de nanocristaux de cellulose pour la bioimpression 3D par extrusion

Development of a marine collagen and cellulose nanocrystals composite ink for extrusion-based 3D bioprinting

• Auteur / Autrice : Mathieu Loste-Berdot
• Direction : Davide Beneventi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 19/07/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble, Isère, France ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Chaussy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilberto Antônio De Freitas Siqueira, Alessandra Vitale
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yves Grohens, Bernard Cathala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imprimabilité

Formulation (génie chimique)

Nanocristaux de cellulose

Mots clés libres

Collagène marin

Nanocristaux de cellulose

Bioimpression 3D

Impression 3D par extrusion

Formulation d'encres

Etude de l'imprimabilité

Marine collagen

Cellulose nocrystals

3D bioprinting

Extrusion-Based 3D printing

Inks formulation

Printability assessment

Résumé

Ce projet a pour but de développer une encre à base de collagène marin et de nanocristaux de cellulose pour la bioimpression 3D par extrusion. Plusieurs stratégies sont envisagées afin de valoriser les déchets de l’industrie de la pêche en employant le collagène de source marine comme principal constituant d’encres pour la bioimpression par extrusion. Par rapport au collagène d’origine mammalienne, le collagène marin présente une température de dénaturation sensiblement inférieure, ce qui entraîne des contraintes de températures pour l’impression du collagène marin qui peuvent compromettre d’éventuelles applications médicales d’ingénierie tissulaire. Une première stratégie présentée ici consiste à réguler la température de l’espace d’impression suivie d’une étape de réticulation permettant de manipuler la structure imprimée à température ambiante. Une seconde stratégie démontrée dans cette étude permet d’imprimer à température ambiante une encre composite constituée de collagène marin et de nanocristaux de cellulose. Les résultats révèlent une amélioration significative de l’imprimabilité des encres avec l’ajout de nanocristaux de cellulose. Un point clé de ce projet est de chercher à quantifier la notion d’imprimabilité. Différentes méthodes sont proposées et critiquées au cours de ces travaux, en partant des techniques de rhéologie classiques aux techniques de caractérisation optique et d’analyse d’image des filaments extrudés et d’arrangements de lignes imprimées, en passant par de la rhéologie appliquée au rétablissement des propriétés rhéologiques.

This project aims to develop marine collagen-cellulose nanocrystals inks for 3D extrusion-based bioprinting. Driven by the desire to valorize fish industry wastes different strategies are explored to use marine collagen as the main material for extrusion-based bioprinting inks formulation. Since the denaturation temperature of marine collagen is significantly lower than mammalian collagen, processing pure marine collagen requires a strict temperature control that may hinder tissue engineering application. The first strategy presented is to regulate the printing space temperature followed by a cross-linking step to enable ambient temperature handling of the printed structure. The second strategy demonstrated in this study is to use cellulose nanocrystals as rheological enhancer to allow for the bioprinting process to be executed at ambient temperature. The results highlight the strong positive impact of cellulose nanocrystals on marine collagen-based inks printability. The challenge of characterizing the samples printability through quantifiable measurements is a key point in 3D printing. From classical rheology and rheological recovery measurements to the optical characterization and image analysis of filament extrusion and printed lines patterns, a panel of quantifying characterization methods are proposed and discussed by this PhD project.