Elektrojetting von polymerbasierten 3D-Strukturen für maßgeschneiderte biologische Systeme

Dank fortschrittlicher Techniken kann die Transplantation heute viele Leben retten. Das Hauptproblem ist jedoch der Zugang zu ausreichend verfügbaren Organen und Geweben. Eine mögliche Lösung ist die künstliche Reproduktion. Maßgeschneiderte biologische Systeme sind technisch hergestellte Systeme mit biologischen Komponenten, die biologische Funktionen übernehmen. Sie können als Organersatz, zur Heilung von Krankheiten oder zur Medikamentenherstellung eingesetzt werden. Die Herausforderung, die gewünschte Endfunktion zu erreichen, liegt in der komplexen Beziehung zwischen den künstlichen und den natürlichen Komponenten. ... mehrEin Ansatz im Bereich des Tissue Engineering sind additive Fertigungsverfahren, unter anderem das Bioprinting. Um die biologische Aktivität nach der Herstellung zu gewährleisten, müssen die gewählte Herstellungsmethode und die verwendeten Materialien zellverträglich sein. Diese Anforderung schränkt die zur Verfügung stehenden Methoden, z.B. durch den Einsatz von Wärme, stark ein. Um eine geeignete Auflösung der fein strukturierten extrazellulären Matrix (ECM) abbilden zu können, bieten sich hochauflösende 3D-Druckverfahren auf Basis des Elektrojetting an. In dieser Arbeit werden neue Materialsysteme und Herstellungsverfahren vorgestellt. Zwei Materialsysteme, basierend auf Poly(acrylsäure) (PAA) und Poly(ethylenglykol)diacrylat (PEGDA) / PAA, bestehen aus synthetischen Hydrogelen. Das dritte Materialsystem besteht aus natürlich vorkommendem Kollagen. Für jedes dieser Materialsysteme wurde ein Elektrojetting-Prozess optimiert, so dass orientierte Fasern, Scaffolds und dreidimensionale Netzwerke hergestellt werden konnten. Durch elektrohydrodynamisches Co-Jetting konnten intelligente PAA-Fasern mit einem Durchmesser von 5,2 µm produziert werden. Die PAA-Fasern rollten sich spontan auf und bildeten Mikrofedern, wenn sie Puffern als Stimulus ausgesetzt waren. Die formgebende Bewegung ist auf das anisotrope Quellverhalten der unterschiedlichen Vernetzungsgrade der Polymerlösungen zurückzuführen und somit abhängig von der verwendeten Puffersubstanz, dem pH-Wert und der Ionenstärke. Die Mikrofedern bildeten sich innerhalb von Sekunden und sind damit deutlich schneller als bisher bekannte Formänderungsbewegungen. Die Fasern bildeten Federn mit einem maximalen Durchmesser von 487 µm und zeigten ein gutes Rückstellverhalten nach äußerer Krafteinwirkung. Diese Mikrodimensionen machen die elektrogesponnenen Mikrofedern für den Bereich der künstlichen Muskeln und der Soft-Robotik sehr interessant. Durch Stapelung der Einzelfasern konnten rechteckige Gerüststrukturen mit unterschiedlichen Gittergrößen und einer maximalen Höhe von 150 µm hergestellt werden. Um eine möglichst naturgetreue dreidimensionale Nachbildung der ECM zu erreichen, wurden dreidimensionale Proteinnetze aus Kollagen mikrometergenau positioniert. Dies konnte mit Hilfe einer eigens entwickelten 3D-Netz Jet Station realisiert werden. Grundlage der Optimierung der elektrodynamischen Herstellungstechnik war die Gestaltung der Erdung und deren Einfluss auf das elektrische Feld. Dies ermöglichte die gezielte Ablagerung von Kollagenfasern in Mikrokavitäten verschiedener Arrays und Scaffolds. Die Proteinfasern spannten sich als dreidimensionale Kollagennetzwerke über den gesamten Querschnitt sowie über die gesamte Höhe der einzelnen Kavitäten. Durch das Aufbringen einer doppelten Linienerdung erhielt das Kollagennetz zusätzlich eine Richtungsorientierung. Auf diese Weise können Gewebetypen nachgebildet werden, die Belastungen in einer bestimmten Richtung ausgesetzt sind. Zellkulturen von Hepatozyten in Mikrokavitäten mit Kollagennetzen zeigten die Eignung als biologisches System. Darüber hinaus wurden direkt biologisch aktive 3D-Strukturen mit kontrollierten und definierten Mikroporen gedruckt. Unter anderem wurden Enzyme in filigranen Mikrostrukturen immobilisiert. Die Enzyme zeigten eine hohe Aktivität auch über längere Zeiträume hinweg und eignen sich für den Einsatz in industriellen Enzymprozessen. Darüber hinaus eignet sich das Materialsystem für das direkte Drucken von Zellen und eröffnet damit eine völlig neue Dimension des Bioprintings.

Thanks to revolutionary techniques transplantation can save many lives today. However, the main issue is the access to enough available organs and tissues. One possible solution is artificial replication. Tailor-made biological systems are engineered systems with biological components that take on biological functions. They can be used to replace organs, to cure diseases or to manufacture drugs. The challenge of achieving the desired end function lies in the complex relationship between the artificial and natural components. One approach to tissue engineering is additive manufacturing, including bioprinting. ... mehrTo ensure biological activity after fabrication, the chosen manufacturing method and the materials used must be cell compatible. This requirement severely limits the available methods, e.g. through the use of heat. High-resolution 3D printing methods based on electrojetting are suitable to mimic the finely structured extracellular matrix (ECM) at a sufficient resolution. In this work, new material systems and fabrication methods are presented. Two material systems, based on Poly(acrylic acide) (PAA) and Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) / PAA, are composed of synthetic hydrogels. The third material system is naturally occurring collagen. An electrojetting process was then optimised for each of these material systems to produce oriented fibres, scaffolds and three-dimensional meshes. Electrohydrodynamic co-jetting was used to produce smart PAA fibres with a diameter of 5.2 µm. The PAA fibres spontaneously coiled and formed microsprings when stimulated by buffers. The shaping movement is due to the anisotropic swelling behaviour of the different cross-linking degrees of the polymer solutions and is therefore dependent on the buffer substance, pH and ionic strength used. The microsprings formed within seconds, which is much faster than previously published shape-changing movements. The fibres formed springs with a maximum diameter of 487 µm and showed good recovery behaviour after external force application. This microdimension makes the electrojet microsprings very interesting for artificial muscles and soft robotics. By stacking the individual fibres, rectangular framework structures with different lattice sizes and a maximum height of 150 µm could be produced. To achieve the most lifelike three-dimensional mimic of the ECM, three-dimensional protein networks of collagen were positioned with micrometre precision. The optimization of the electrodynamic fabrication technique was based on the design of the grounding and its influence on the electric field. This enabled the targeted deposition of collagen fibres in microcavities of different arrays and scaffolds. The protein fibres spanned the entire cross-section and height of the individual cavities as three-dimensional collagen networks. The application of a double line grounding gave the collagen network an additional directional orientation. In this way, it is possible to mimic tissue types that are subjected to stress in a specific direction. Cell cultures of hepatocytes in microcavities with collagen networks showed the suitability as a biological system. Furthermore, biologically active 3D structures with controlled and defined micropores have been directly printed. This included immobilizing enzymes in filigree microstructures. The enzymes showed high activity even over long periods of time and are suitable for use in industrial enzyme processes. In addition, the material system is suitable for the direct printing of cells and thus opens up a completely new dimension in the scaling of bioprinting.