Carbon nanotube-based scaffold for cell modulation
Saranya, Muthusamy (2025-06-06)
© University of Oulu, 2025. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2025. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202504303003
Kuvaus
Tiivistelmä
Carbon nanotubes (CNTs) have emerged as promising materials due to their exceptional physiochemical, mechanical and electrical properties in various applications such as micro- and nanoelectronics, solar cells, energy storage, and tissue engineering. CNTs have demonstrated great potential in soft tissue engineering, especially in the modulation of cartilage, cardiac and neural tissues. As an active component in templates or composites, CNTs can provide topographical, chemical, physical and mechanical cues, promoting cell adhesion, elongation and alignment. Additionally, they offer electrical conductivity for cell stimulation, which is essential for the long-term survival of cells and functional tissue regeneration. However, challenges remain regarding the non-uniform production, dispersion and aggregation of CNTs within composites. Furthermore, the use of electrical stimulation for CNT alignment, along with concerns about their non-biodegradability and long-term toxicity, pose hurdles for clinical translation.
To address these challenges, this thesis focused on exploring the capabilities of CNTs for unidirectional cell orientation, the alignment of injectable hydrogel structures, and cell modulation through external stimulation. These were achieved through strategic synthesis, functionalization, and integration of CNTs into micropatterned templates, hydrogel and polymeric scaffolds. We demonstrated that vertically aligned multi-walled carbon nanotube (VA-MWCNT) patterned micropillars effectively promote chondrocyte adhesion and unidirectional proliferation while preserving cell phenotype. Building upon this, we achieved magnetic field-driven alignment of carboxylated MWCNTs (cMWCNTs) in injectable hydrogel (i.e. Gellan Gum (GG)), validated through small angle neutron scattering and in-situ optical analysis. Additionally, magnetically responsive cMWCNT-integrated polymeric scaffolds were developed to modulate chondrogenic capacity under low magnetic fields (< 1000 mT). Finally, we introduced a promising method for accurate quantification of CNTs in aqueous media using time-resolved Raman spectroscopy combined with partial least squares (PLS) regression.
These results are anticipated to advance the development of CNT-based scaffolds for cell modulation and establish a reliable quantification method, ensuring the safe and effective use of CNTs in biological systems.
Hiilinanoputket (CNT) ovat nousseet lupaaviksi materiaaleiksi erilaisissa sovelluksissa kuten mikro- ja nanoelektroniikassa, aurinkopaneeleissa, energian varastoinnissa ja kudostekniikassa niiden poikkeuksellisten fysikaaliskemiallisten, mekaanisten sekä sähköisten ominaisuuksiensa ansiosta. CNT:t ovat osoittaneet suurta potentiaalia pehmytkudostekniikassa, erityisesti rusto-, sydän-, sekä hermokudosten moduloinnissa. Mallien tai komposiittien aktiivisena osana CNT:t voivat tuottaa topografisia, kemiallisia, fysikaalisia ja mekaanisia vihjeitä, edistäen solujen adheesiota, elongaatiota sekä suuntausta. Lisäksi ne tarjoavat sähkönjohtavuutta solustimulaatioon, mikä on olennaista solujen pitkäaikaiselle eloonjäämiselle sekä toimivalle kudosten uudistumiselle. Haasteina ovat kuitenkin edelleen CNT:n tasalaatuinen tuotanto, dispersio, sekä agglomeraatio komposiiteissa. Toisekseen sähköisen stimulaation käyttö CNT:n suuntaamiseen sekä huolet biohajoavuudesta ja pitkän aikavälin toksisuudesta muodostavat esteitä kliiniseen käyttöön siirtymiselle.
Näiden haasteiden ratkaisemiseksi väitöstutkimus keskittyi tutkimaan CNT:n mahdollisuuksia solujen yhdensuuntaistamiseen, injektoitavien hydrogeelirakenteiden kohdistamiseen sekä solumodulaatioon ulkoisen stimulaation avulla. Nämä tavoitteet saavutettiin hiilinanoputkien suunnitelmallisella synteesillä, funktionalisoinnilla ja integroinnilla mikrokuvioituihin malleihin sekä hydrogeeli- ja polymeerirakenteisiin. Osoitimme, että pystysuoraan kohdistetuista, moniseinämäisistä hiilinanoputkista (VA-MWCNT) koostuvat mikropilarikuviot edistävät tehokkaasti kondrosyyttien adheesiota sekä yksisuuntaista leviämistä säilyttäen solujen fenotyypin. Tämän pohjalta kehitimme magneettikenttään pohjautuvan karboksyloitujen MWCNT:n (cMWCNT) suuntauksen injektoitavassa hydrogeelissä (Gellan Gum), mikä vahvistettiin neutronien pienkulmasironnalla sekä optisella analyysillä. Lisäksi kehitettiin magneettikentälle vasteen antavat cMWCNT-integroidut polymeerirakenteet moduloimaan kondrogeenistä kapasiteettiä alhaisissa magneettikentissä (< 1000 mT). Lopuksi esittelimme lupaavan menetelmän CNT:n tarkkaan kvantifiointiin vesipitoisissa väliaineissa käyttäen reaaliaikaista Raman-spektroskopiaa yhdistettynä osittaisen pienimmän neliösumman (PLS) regressioon.
Näiden tulosten odotetaan edistävän hiilinanoputkiin perustuvien tukirakenteiden kehitystä solumodulaatioon sekä vakiinnuttavan luotettavan kvantifiointimenetelmän varmistamaan niiden turvallinen ja tehokas käyttö biologisissa systeemeissä.
Original papers
-
Janssen, L., Saranya, M., Leinonen, M., Pitkänen, O., Mobasheri, A., & Lorite, G. S. (2020). Vertically aligned carbon nanotube micropillars induce unidirectional chondrocyte orientation. Carbon, 158, 681–689. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.11.040 https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.11.040
-
Saranya, M., Koivisto, J. T., Carvalho, A. C. M., Sato, F., Lassenberger, A., Porcar, L., Muchharla, B., Talapatra, S., McDonagh, B. H., Janssen, L., Pitkänen, O., Kellomäki, M., Kordas, K., & Lorite, G. S. (2023). Aligned multi-walled carbon nanotube-embodied hydrogel via low magnetic field: A strategy for engineering aligned injectable scaffolds. Composites Part B: Engineering, 248, 110398. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110398 https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110398
-
Saranya, M., Da Silva, A. M., Karjalainen, H., Klinkenberg, G., Schmid, R., McDonagh, B., Molesworth, P. P., Sigfúsdóttir, M. S., Wågbø, A. M., Santos, Susana. G., Couto, C., Karjalainen, V., Gupta, S. D., Järvinen, T., De Roy, L., Seitz, Andreas. M., Finnilä, M., Saarakkala, S., Haaparanta, A. M., … Lorite, G. S. (2023). Magnetic‐responsive carbon nanotubes composite scaffolds for chondrogenic tissue engineering. Advanced Healthcare Materials, 12(30), 2301787. https://doi.org/10.1002/adhm.202301787 https://doi.org/10.1002/adhm.202301787
-
Saranya, M., Kekkonen, J., Pitkänen, O., Talala, T., Nissinen, I., Schmid, R., & Lorite, G. S. (2025). Potential use of time-resolved Raman spectroscopy and PLS model as an analytical method to quantify carbon nanotubes in biological systems. Manuscript submitted for publication.
Osajulkaisut
-
Janssen, L., Saranya, M., Leinonen, M., Pitkänen, O., Mobasheri, A., & Lorite, G. S. (2020). Vertically aligned carbon nanotube micropillars induce unidirectional chondrocyte orientation. Carbon, 158, 681–689. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.11.040 https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.11.040
-
Saranya, M., Koivisto, J. T., Carvalho, A. C. M., Sato, F., Lassenberger, A., Porcar, L., Muchharla, B., Talapatra, S., McDonagh, B. H., Janssen, L., Pitkänen, O., Kellomäki, M., Kordas, K., & Lorite, G. S. (2023). Aligned multi-walled carbon nanotube-embodied hydrogel via low magnetic field: A strategy for engineering aligned injectable scaffolds. Composites Part B: Engineering, 248, 110398. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110398 https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110398
-
Saranya, M., Da Silva, A. M., Karjalainen, H., Klinkenberg, G., Schmid, R., McDonagh, B., Molesworth, P. P., Sigfúsdóttir, M. S., Wågbø, A. M., Santos, Susana. G., Couto, C., Karjalainen, V., Gupta, S. D., Järvinen, T., De Roy, L., Seitz, Andreas. M., Finnilä, M., Saarakkala, S., Haaparanta, A. M., … Lorite, G. S. (2023). Magnetic‐responsive carbon nanotubes composite scaffolds for chondrogenic tissue engineering. Advanced Healthcare Materials, 12(30), 2301787. https://doi.org/10.1002/adhm.202301787 https://doi.org/10.1002/adhm.202301787
-
Saranya, M., Kekkonen, J., Pitkänen, O., Talala, T., Nissinen, I., Schmid, R., & Lorite, G. S. (2025). Potential use of time-resolved Raman spectroscopy and PLS model as an analytical method to quantify carbon nanotubes in biological systems. Manuscript submitted for publication.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38549]