@phdthesis{Bertlein2019,
  author    = {Bertlein, Sarah},
  title     = {Hydrogels as Biofunctional Coatings and Thiol-Ene Clickable Bioinks for Biofabrication},
  doi       = {10.25972/OPUS-17422},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-174225},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von funktionalisierbaren Hydrogel Beschichtungen f{\"u}r Schmelz-elektrogeschriebene PCL Ger{\"u}ste und von Bio-druckbaren Hydrogelen f{\"u}r die Biofabrikation. Hydrogel Beschichtungen von Schmelz-elektrogeschriebenen Konstrukten erm{\"o}glichten die Kontrolle der Oberfl{\"a}chen-Hydrophilie und damit Zell-Material Interaktionsstudien in minimal Protein-adh{\"a}siven Umgebungen. Zu diesem Zweck wurde ein hydrophiles sternf{\"o}rmiges vernetzbares Polymer verwendet und eine Optimierung der Beschichtungsbedingungen durchgef{\"u}hrt. Außerdem boten neu entwickelte photosensitive Konstrukte eine Zeit- und pH-unabh{\"a}ngige Biofunktionalisierung. Bio-druckbare Hydrogele f{\"u}r die Biofabrikation basierten auf der Allyl-Funktionalisierung von Gelatine (GelAGE) und modifizierten Hyalurons{\"a}ure-Produkten, die das Hydrogel-Vernetzen mittels Thiol-En Click Chemie erm{\"o}glichen. Die Optimierung der GelAGE Hydrogel-Eigenschaften wurde durch eine detaillierte Analyse der Syntheseparameter, variierender En:SH Verh{\"a}ltnisse, unterschiedlicher Vernetzungsmolek{\"u}le und Photoinitiatoren erreicht. Die Homogenit{\"a}t der Thiol-En Netzwerke wurde mit denen der freien radikalischen Polymerisation verglichen und die Verwendbarkeit von GelAGE als Bio-Tinte f{\"u}r den Extrusions-basierten Bio-Druck wurde untersucht. Es wurde angenommen, dass reine Hyalurons{\"a}ure-basierte Bio-Tinten eine Beibehaltung der mechanischen und rheologischen Eigenschaften, der Zellviabilit{\"a}t und der Prozessierbarkeit erm{\"o}glichen trotz geringerem Polymer- und Thiol-Anteil der Hydrogele. Hydrogel-Beschichtungen: Hoch definierte PCL Ger{\"u}ste wurden mittels MEW hergestellt und anschließend mit sechs armigen sternf{\"o}rmigen vernetzbaren Polymeren (sP(EO-stat-PO)) beschichtet. Die Vernetzung wird durch die w{\"a}ssrig-induzierte Hydrolyse reaktiver Isocyanatgruppen (NCO) von sP(EO-stat-PO) bedingt. Diese Beschichtung erh{\"o}hte die Oberfl{\"a}chen-Hydrophilie und stellte eine Plattform f{\"u}r weitere Biofunktionalisierungen, in minimal Protein-adh{\"a}siven Umgebungen, dar. Nicht nur das Beschichtungsprotokoll wurde hinsichtlich der sP(EO-stat-PO) Konzentrationen und der Beschichtungsdauern optimiert, sondern auch Vorbehandlungen der Ger{\"u}ste wurden entwickelt. Diese waren essentiell um die finale Hydrophilie von sP(EO-stat-PO) beschichteten Ger{\"u}ste so zu erh{\"o}hen, dass unspezifische Protein-Adh{\"a}sionen vollst{\"a}ndig unterbunden wurden. Die sP(EO-stat-PO) Schichtdicke, von ungef{\"a}hr 100 nm, erm{\"o}glicht generell in vitro Studien nicht nur in Abh{\"a}ngigkeit der Ger{\"u}st-Biofunktionalisierung, sondern auch in Abh{\"a}ngigkeit der Ger{\"u}st-Architektur durchzuf{\"u}hren. Das Ausmaß der Hydrogel-Beschichtung wurde mittels einer indirekten Quantifizierung der NCO-Hydrolyse-Produkte ermittelt. Kenntnis {\"u}ber die NCO-Hydrolyse-Kinetik erm{\"o}glichte ein Gleichgewicht zwischen ausreichend beschichteten Ger{\"u}sten und der Pr{\"a}senz der NCO-Gruppen herzustellen, welche f{\"u}r die anschließenden Biofunktionalisierungen genutzt wurden. Diese Zeit- und pH-abh{\"a}ngige Biofunktionalisierung war jedoch nur f{\"u}r kleine Biomolek{\"u}le m{\"o}glich. Um diese Beschr{\"a}nkung zu umgehen und auch hochmolekulare Biomolek{\"u}le kovalent anzubinden, wurde ein anderer Reaktionsweg entwickelt. Dieser basierte auf der Photolyse von Diazirin-Gruppen und erm{\"o}glichte eine Zeit- und pH-unabh{\"a}ngige Biofunktionalisierung der Ger{\"u}ste mit Streptavidin und Kollagen Typ I. Die Fibrillen bildende Eigenschaft von Kollagen wurde genutzt um auf den Ger{\"u}sten verschiedene Kollagen-Konformationen zu erhalten und eine erste in vitro Studie best{\"a}tigte die Anwendbarkeit f{\"u}r Zell-Material Interaktionsstudien. Die hier entwickelten Ger{\"u}ste k{\"o}nnten verwendet werden um tiefere Einblicke in die Grundlagen der zellul{\"a}ren Wahrnehmung zu erhalten. Insbesondere die Komplexit{\"a}t mit der Zellen z.B. Kollagen wahrnehmen bleibt weiterhin kl{\"a}rungsbed{\"u}rftig. Hierf{\"u}r k{\"o}nnten diverse Hierarchien von Kollagen-{\"a}hnlichen Konformationen an die Ger{\"u}ste gebunden werden, z.B. Gelatine oder Kollagen-abgeleitete Peptidsequenzen. Dann k{\"o}nnte die Aktivierung der DDR-Rezeptoren in Abh{\"a}ngigkeit der Komplexit{\"a}t der angebundenen Substanzen bestimmt werden. Aufgrund der starken Streptavidin-Biotin Bindung k{\"o}nnten Streptavidin funktionalisierte Ger{\"u}ste eine vielseitige Plattform f{\"u}r die Immobilisierung von jeglichen biotinylierten Molek{\"u}len darstellen. Gelatine-basierte Bio-Tinten: Zuerst wurden die GelAGE-Produkte hinsichtlich der Molekulargewichts-Verteilung und der Integrit{\"a}t der Aminos{\"a}uren-Zusammensetzung synthetisiert. Eine detailliert Studie, mit variierenden molaren Edukt-Verh{\"a}ltnissen und Synthese-Zeitspannen, wurde durchgef{\"u}hrt und implizierte, dass der Gelatine Abbau am deutlichsten f{\"u}r stark alkalische Synthesebedingungen mit langen Reaktionszeiten war. Gelatine beinhaltet mehrere funktionalisierbare Gruppen und anhand diverser Model-Substanzen und Analysen wurde die vorrangige Amingruppen-Funktionalisierung ermittelt. Die Homogenit{\"a}t des GelAGE-Polymernetzwerkes, im Vergleich zu frei radikalisch polymerisierten GelMA-Hydrogelen, wurde best{\"a}tigt. Eine ausf{\"u}hrliche Analyse der Hydrogel-Zusammensetzungen mit variierenden funktionellen Gruppen Verh{\"a}ltnissen und UV- oder Vis-Licht induzierbaren Photoinitiatoren wurde durchgef{\"u}hrt. Die UV-Initiator Konzentration ist aufgrund der Zell-Toxizit{\"a}t und der potenziellen zellul{\"a}ren DNA-Besch{\"a}digung durch UV-Bestrahlung eingeschr{\"a}nkt. Das Zell-kompatiblere Vis-Initiator System hingegen erm{\"o}glichte, durch die kontrollierte Photoinitiator-Konzentration bei konstanten En:SH Verh{\"a}ltnissen und Polymeranteilen, die Einstellung der mechanischen Eigenschaften {\"u}ber eine große Spanne hinweg. Die Flexibilit{\"a}t der GelAGE Bio-Tinte f{\"u}r unterschiedliche additive Fertigungstechniken konnte, durch Ausnutzung des temperaturabh{\"a}ngigen Gelierungsverhaltens unterschiedlich stark degradierter GelAGE Produkte, f{\"u}r Stereolithographie und Extrusions-basiertem Druck bewiesen werden. Außerdem wurde die Viabilit{\"a}t zellbeladener GelAGE Konstrukte bewiesen, die mittels Extrusions-basiertem Bio-Druck erhalten wurden. Die Verwendung diverser multifunktioneller und makromolekularer Thiol-Vernetzungsmolek{\"u}le erm{\"o}glichte eine Verbesserung der mechanischen und rheologischen Eigenschaften und ebenso der Prozessierbarkeit. Verglichen mit dem kleinen bis-Thiol-funktionellen Vernetzungsmolek{\"u}l waren geringere Thiol-Vernetzer-Konzentrationen notwendig um bessere mechanische Festigkeiten und physikochemische Eigenschaften der Hydrogele zu erhalten. Der Extrusions-basierte Bio-Druck unterschiedlicher eingekapselter Zellen verdeutlichte die Notwendigkeit der individuellen Optimierung von Zell-beladenen Hydrogel-Formulierungen. Nicht nur die Zellviabilit{\"a}t von eingekapselten Zellen in Extrusions-basierten biogedruckten Konstrukten sollte bewertet werden, sondern auch andere Parameter wie die Zellmorphologie oder die Kollagen- oder Glykosaminoglykan-Produktion, da diese einige der essentiellen Voraussetzungen f{\"u}r die Verwendung in Knorpel Tissue Engineering Konzepten darstellen. Außerdem sollten diese Studien auf die stereolithographischen Ans{\"a}tze erweitert werden und letztlich w{\"a}re die Flexibilit{\"a}t und Zellkompatibilit{\"a}t der Formulierungen mit makromolekularen Vernetzern von Interesse. Makromolekulare Vernetzer erm{\"o}glichten die Reduktion des Polymeranteils und des Thiol-Gehalts und k{\"o}nnen, insbesondere in Kombination mit dem Zell-kompatibleren Vis-Initiator-System, voraussichtlich zu einer gesteigerten Zellkompatibilit{\"a}t beitragen, was zu kl{\"a}ren bleibt. Hyalurons{\"a}ure-basierte Bio-Tinten: Unterschiedliche Hyalurons{\"a}ure-Produkte (HA) wurden synthetisiert, sodass diese En- (HAPA) oder Thiol-Funktionalit{\"a}ten (LHASH) beinhalteten, um reine HA Thiol-En vernetzte Hydrogele zu erhalten. In Abh{\"a}ngigkeit des Molekulargewichts der HA-Produkte, der Polymeranteile und des En:SH Verh{\"a}ltnisses, konnte eine große Spanne an mechanischen Festigkeiten abgedeckt werden. Aufgrund der hohen Viskosit{\"a}t war allerdings im Falle von hochmolekularen HA (HHAPA) Produkt-L{\"o}sungen (HHAPA + LHASH) die Handhabbarkeit auf 5.0 wt.-\% beschr{\"a}nkt. Die Verwendung der gleichen HA Thiol-Komponenten (LHASH) erm{\"o}glichte Hybrid-Hydrogele, mit HA und GelAGE, mit reinen HA-Hydrogelen zu vergleichen. Obwohl der Polymeranteil von HHAPA + LHASH Hydrogelen signifikant geringer war, als im Vergleich zu Hybrid-Hydrogelen (GelAGE + LHASH), wurden f{\"u}r gleiche En:SH Verh{\"a}ltnisse {\"a}hnliche mechanische und physikochemische Eigenschaften reiner HA-Hydrogele bestimmt. Aufgrund der geringen Viskosit{\"a}t niedermolekularer HA L{\"o}sungen (LHAPA + LHASH) konnten diese nicht f{\"u}r den Extrusions-basierten Druck verwendet werden. Das nicht temperaturabh{\"a}ngige HHAPA + LHASH System hingegen konnte mit nur einem Viertel des Polymeranteils der Hybrid Formulierungen gedruckt werden. Im Vergleich zu der Hybrid Bio-Tinte wurde angenommen, dass das hoch viskose Verhalten von HHAPA + LHASH L{\"o}sungen, der geringere Polymeranteil, der geringere Druck f{\"u}r das Drucken und eine demzufolge geringere Scherspannung, maßgeblich zu der hohen Zellviabilit{\"a}t in Extrusions-basiert-biogedruckten Konstrukten beisteuerten. Die niedrigmolekulare HA Formulierung (LHAPA + LHASH) konnte zwar nicht f{\"u}r den Extrusions-basierten Druck verwendet werden, allerdings besitzt dieses System Potential f{\"u}r andere additive Fertigungstechniken wie z.B. der Stereolithographie. Um dieses System weiterzuentwickeln w{\"a}re, analog zu dem GelAGE System, eine detailliertere Studie zu den Funktionen eingekapselter Zellen hilfreich. Außerdem sollte die Initiierung dieses Systems mit dem Vis-Initiator untersucht werden.},
  subject      = {Biomaterial},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Lorson2019,
  author    = {Lorson, Thomas},
  title     = {Novel Poly(2-oxazoline) Based Bioinks},
  doi       = {10.25972/OPUS-18051},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-180514},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Motivated by the great potential which is offered by the combination of additive manufacturing and tissue engineering, a novel polymeric bioink platform based on poly(2 oxazoline)s was developed which might help to further advance the young and upcoming field of biofabrication. In the present thesis, the synthesis as well as the characteristics of several diblock copolymers consisting of POx and POzi have been investigated with a special focus on their suitability as bioinks. In general, the copolymerization of 2-oxazolines and 2-oxazines bearing different alkyl side chains was demonstrated to yield polymers in good agreement with the degree of polymerization aimed for and moderate to low dispersities. For every diblock copolymer synthesized during the present study, a more or less pronounced dependency of the dynamic viscosity on temperature could be demonstrated. Diblock copolymers comprising a hydrophilic PMeOx block and a thermoresponsive PnPrOzi block showed temperature induced gelation above a degree of polymerization of 50 and a polymer concentration of 20 wt\%. Such a behavior has never been described before for copolymers solely consisting of poly(cyclic imino ether)s. Physically cross linked hydrogels based on POx b POzi copolymers exhibit reverse thermal gelation properties like described for solutions of PNiPAAm and Pluronic F127. However, by applying SANS, DLS, and SLS it could be demonstrated that the underlying gel formation mechanism is different for POx b POzi based hydrogels. It appears that polymersomes with low polydispersity are formed already at very low polymer concentrations of 6 mg/L. Increasing the polymer concentration resulted in the formation of a bicontinuous sponge like structure which might be formed due to the merger of several vesicles. For longer polymer chains a phase transition into a gyroid structure was postulated and corresponds well with the observed rheological data. Stable hydrogels with an unusually high mechanical strength (G' ~ 4 kPa) have been formed above TGel which could be adjusted over a range of 20 °C by changing the degree of polymerization if maintaining the symmetric polymer architecture. Variations of the chain ends revealed only a minor influence on TGel whereas the influence of the solvent should not be neglected as shown by a comparison of cell culture medium and MilliQ water. Rotationally as well as oscillatory rheological measurements revealed a high suitability for printing as POx b POzi based hydrogels exhibit strong shear thinning behavior in combination with outstanding recovery properties after high shear stress. Cell viability assays (WST-1) of PMeOx b PnPrOzi copolymers against NIH 3T3 fibroblasts and HaCat cells indicated that the polymers were well tolerated by the cells as no dose-dependent cytotoxicity could be observed after 24 h at non-gelling concentrations up to 100 g/L. In summary, copolymers consisting of POx and POzi significantly increased the accessible range of properties of POx based materials. In particular thermogelation of aqueous solutions of diblock copolymers comprising PMeOx and PnPrOzi was never described before for any copolymer consisting solely of POx or POzi. In combination with other characteristics, e.g. very good cytocompatibility at high polymer concentrations and comparably high mechanical strength, the formed hydrogels could be successfully used for 3D bioprinting. Although the results appear promising and the developed hydrogel is a serious bioink candidate, competition is tough and it remains an open question which system or systems will be used in the future.},
  subject      = {Polymere},
  language  = {en}
}