@phdthesis{Stichel2014,
  author    = {Stichel, Thomas G{\"u}nther},
  title     = {Die Herstellung von Scaffolds aus funktionellen Hybridpolymeren f{\"u}r die regenerative Medizin mittels Zwei-Photonen-Polymerisation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-130161},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit wurde das Verfahren der Zwei-Photonen-Polymerisation von anorganisch-organischen Hybridpolymeren (ORMOCER®e) untersucht. Untersuchungsschwerpunkte bildeten dabei die theoretischen Betrachtungen der Wechselwirkung zwischen Laser und Hybridpolymer, die experimentelle Charakterisierung unterschiedlicher ORMOCER®e sowie die Aufskalierung der Technologie im Hinblick auf die Herstellung von Scaffold-Strukturen f{\"u}r die regenerative Medizin. Hierbei wurde u. a. ein innovativer Belichtungsaufbau entworfen und aufgebaut, der es erlaubt makroskopische, por{\"o}se Scaffold-Strukturen mit minimalen Strukturgr{\"o}ßen im Bereich von wenigen Mikrometern herzustellen. ORMOCER®e sind typischerweise f{\"u}r optische Anwendungen konzipiert, weisen allerdings z. T. biokompatible Eigenschaften auf. Das Material ORMOCER® MB-47 wurde von M. Beyer eigens f{\"u}r biologische Anwendungen synthetisiert. Es zeichnet sich durch Biokompatibilit{\"a}t, teilweiser Biodegradierbarkeit und hervorragende Strukturierbarkeit durch die Zwei-Photonen-Polymerisation aus. Das in dieser Arbeit verwendete Mikrostrukturierungssystem beinhaltet im Wesentlichen einen Ultrakurzpulslaser, der 325 fs Pulse bei 1030 nm emittiert (verwendet wird die zweite Harmonische bei 515 nm), ein hochpr{\"a}zises Positionierungssystem, bestehend aus drei luftgelagerten Lineartischen mit einer Reichweite von 10 cm (y-, z-Richtung) bzw. 15 cm (x-Richtung) sowie diversen Objektiven zur Fokussierung. Mit diesen Komponenten lassen sich komplexe dreidimensionale Strukturen mit minimalen Strukturgr{\"o}ßen von bis unter 100 nm erzeugen. In Kapitel 5.1 wurden theoretische Untersuchungen im Hinblick auf das Wechselwirkungsverhalten zwischen der fokalen Intensit{\"a}tsverteilung und dem Materialsystem zur Bildung eines Voxels durchgef{\"u}hrt, wobei das technische Wechselwirkungsvolumen und das chemische Wechselwirkungsvolumen samt den reaktionskinetischen Abl{\"a}ufen separat betrachtet wurde. Das technische Wechselwirkungsvolumen beschreibt die Wechselwirkung zwischen der fokalen Intensit{\"a}tsverteilung und dem Materialsystem im Rahmen eines Schwellwertprozesses, der es erlaubt Strukturdimensionen unterhalb des Beugungslimits zu realisieren. Die theoretischen Untersuchungen diesbez{\"u}glich ergaben, dass sph{\"a}rische Aberrationen die fokale Intensit{\"a}tsverteilung (Intensity-Point Spread Function (IPSF)) in Abh{\"a}ngigkeit der Belichtungskonfiguration z. T. sehr stark beeinflussen. Dar{\"u}ber hinaus wurde durch Betrachtung des Schwellwertverhaltens ein mathematischer Zusammenhang zwischen der IPSF und der Leistungsabh{\"a}ngigkeit der Charakteristik des technischen Wechselwirkungsvolumens geschaffen. Das chemische Wechselwirkungsvolumen beschreibt das tats{\"a}chliche Volumen der stattfindenden Polymerisationsreaktion. Dieses geht {\"u}ber das des technischen hinaus, was eine Folge von raumeinnehmendem Kettenwachstum im Rahmen von reaktionskinetischen Teilprozessen ist. Durch die Simulationen dieser reaktionskinetischen Abl{\"a}ufe wurde das leistungsabh{\"a}ngige, zeitliche Verhalten der Reaktionsteilnehmer (Radikale, Monomer, Photoinitiator) und des Vernetzungsgrades ermittelt. Die Simulation wurden f{\"u}r sehr kurze Belichtungszeiten (< 10 ms) auf der Basis von gekoppelten Differentialgleichungen nach Uppal \& Shiakolas durchgef{\"u}hrt. Dabei wurde der Einfluss der Teilchendiffusion sowie der Temperaturentwicklung als gering erachtet und in den Berechnungen vernachl{\"a}ssigt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass eine geringe Belichtungszeit nicht unbedingt durch gr{\"o}ßere Laserleistungen ausgeglichen werden kann, um einen bestimmten Vernetzungsgrad zu erzielen. Vielmehr f{\"u}hrt eine h{\"o}here Leistung zu einem raschen Verbrauch des Photoinitiators im Reaktionsvolumen und damit einem schnelleren Erliegen der Polymerisationsreaktion. Um dennoch hohe Vernetzungsgrade erzielen zu k{\"o}nnen, sind die Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten der Propagation und der Terminierung k_P und k_T sowie eine ausreichende Photoinitiatorkonzentration von entscheidender Bedeutung. Je gr{\"o}ßer das Verh{\"a}ltnis k_P/k_T, desto h{\"o}here Vernetzungsgrade k{\"o}nnen auch bei kurzen Belichtungszeiten realisiert werden, wobei ein wesentlicher Teil der Polymerisation als Dunkelreaktion stattfindet. Diese Erkenntnis ist f{\"u}r die Aufskalierung der Technologie der Zwei-Photonen-Polymerisation von großer Bedeutung, welche mit einer Verk{\"u}rzung der Belichtungszeiten einhergehen muss. Des Weiteren zeigen die Simulationen, dass das spatiale Konversionsprofil eines Voxels ein lokales Minimum im Zentrum aufweisen kann. Dieses Ph{\"a}nomen tritt dann auf, wenn aufgrund der applizierten Leistung, welche gem{\"a}ß des Profils der IPSF im Zentrum am h{\"o}chsten ist, der Photoinitiator im Zentrum rasch verbraucht wird. In Kapitel 5.2 wurde die Voxelbildung, das Vernetzungsverhalten sowie die mechanischen Eigenschaften belichteter ORMOCER®e bei unterschiedlichen Parametern und Materialsystemen experimentell untersucht. An Hand von Voxelfeldern wurden die Voxelgr{\"o}ße, das Aspektverh{\"a}ltnis und das Voxelvolumen bei unterschiedlichen Laserleistungen ermittelt. Die Ergebnisse wurden mit den berechneten technischen Wechselwirkungsvolumina verglichen, wobei die Differenz von tats{\"a}chlicher Voxelgr{\"o}ße und technischem Wechselwirkungsvolumen als eine weitere charakteristische Gr{\"o}ße eingef{\"u}hrt wurde. Dabei zeigte sich, dass besonders die Voxell{\"a}nge von der L{\"a}nge des technischen Wechselwirkungsvolumens derart abweicht, dass dies nicht durch raumeinnehmendes Kettenwachstum im Rahmen der Reaktionskinetik erkl{\"a}rt werden kann. M{\"o}gliche Erkl{\"a}rungsans{\"a}tze basieren hierbei auf Wechselwirkungseffekte zwischen Lichtfeld und Material. Beispielsweise k{\"o}nnten durch den nichtlinearen optischen Kerr-Effekt oder die Polymerisation selbst Brechzahlinhomogenit{\"a}ten induziert werden, welche die Voxelbildung durch Selbstfokussierung beeinflussen. Der Unterschied der Voxelbreite, also das laterale chemische Voxelwachstum, zur Breite des technischen Wechselwirkungsvolumens wurde hingegen mit Hilfe der Reaktionskinetik erkl{\"a}rt. Dabei zeigte sich, dass dieser Unterschied sowohl vom Material selbst als auch von der Fokussieroptik abh{\"a}ngt. Des Weiteren wurde die Polymerisationsrate der unterschiedlichen Materialien aus der Auftragung des Voxelvolumens gegen{\"u}ber der Laserleistung durch lineare Approximation bestimmt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Materialsysteme z. T. erhebliche Unterschiede aufweisen. Als das Materialsystem mit der h{\"o}chsten Polymerisationsrate hat sich das auf Acrylaten als vernetzbare Gruppen basierende OC-V in Kombination mit dem Irgacure® Oxe02 Photoinitiator herausgestellt. Aus diesem Grund wurde es f{\"u}r die Herstellung von makroskopischen Strukturen durch die Zwei-Photonen-Polymerisation bevorzugt verwendet. Die unterschiedlichen Materialien wurden ferner mit Hilfe der µ-Raman-Spektroskopie auf ihr Vernetzungsverhalten untersucht. Konkret wurden hierbei Linienfelder unter Variation der Scan-Geschwindigkeit und der Laserleistung mit Hilfe der 2PP hergestellt und vermessen. Die Vernetzungsgrade wurden semi-quantitativ aus den Spektren ermittelt. Insgesamt wurden Vernetzungsgrade im Bereich zwischen 40 \% und 60 \% gemessen, wobei mit OC-V und 2 Gew.-\% Irgacure® Ox02 die h{\"o}chsten Vernetzungsgrade erzielt wurden. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Konversionsgrade f{\"u}r die jeweiligen Materialsysteme bei allen Scan-Geschwindigkeiten sich auf einem im Rahmen der Fehlergrenzen gleichem Niveau befinden. Damit kann der durch Simulationen theoretisch prognostizierte Abfall des S{\"a}ttigungskonversionsgrades mit zunehmender Scan-Geschwindigkeit mit entsprechend variierenden Belichtungszeiten nicht als verifiziert angesehen werden. Die verschiedenen Materialsysteme wurden außerdem bez{\"u}glich ihrer mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Zu diesem Zweck wurden zylindrische Formk{\"o}rper unter verschiedenen Bedingungen (1PP, 2PP, verschiedene Photoinitiatorkonzentrationen) hergestellt und Druckfestigkeitsmessungen durchgef{\"u}hrt, sowie die Dichten und die Vernetzungsgrade aus den Formk{\"o}rpern bestimmt. Insgesamt wurden Elastizit{\"a}tsmodule im Bereich zwischen 0,40 und 1,37 GPa und Bruchfestigkeitswerte zwischen 117 bis 310 MPa ermittelt. Es konnte festgestellt werden, dass die Konzentration des Photoiniators das Vernetzungsverhalten und damit die mechanischen Eigenschaften der Formk{\"o}rper stark beeinflusst. W{\"a}hrend geringe Konzentrationen zu geringeren Vernetzungsgraden und niedrigen Elastizit{\"a}tsmodulen f{\"u}hrten, zeigten die Formk{\"o}rper h{\"o}herer Konzentration ein deutlich spr{\"o}deres Verhalten mit h{\"o}heren Vernetzungsgraden und Elastizit{\"a}tsmodulen. Das h{\"o}chste Elastizit{\"a}tsmodul wurde an Hand von Formk{\"o}rpern vermessen, welche aus OC-V mit 2 Gew.-\% Irgacure® Ox02 hergestellt wurden. Dar{\"u}ber hinaus wurde festgestellt, dass sich die mechanischen Eigenschaften von durch 2PP hergestellten Formk{\"o}rpern durch die applizierte Laserleistung beeinflussen lassen. Die Ursache hierf{\"u}r ist, dass durch die Laserleistung die Voxelgr{\"o}ße und damit der {\"U}berlapp zwischen den Voxeln eingestellt werden kann. Im Bereich des {\"U}berlapps findet dann eine Doppelbelichtung des Materials statt, was zu h{\"o}heren Vernetzungsgraden f{\"u}hren kann. Außerdem wurden durch die 2PP bei hinreichend großen Belichtungsleistungen auch Formk{\"o}rper realisiert, welche h{\"o}here Elastizit{\"a}tsmodule und Bruchfestigkeitswerte aufwiesen als K{\"o}rper, welche durch UV-Belichtung hergestellt wurden. Die Aufskalierung der Zwei-Photonen-Technologie wurde in Kapitel 5.3 behandelt. Neben einer ausf{\"u}hrlichen Diskussion zu den Herausforderungen diesbez{\"u}glich, wurden zwei Belichtungsstrategien zur Herstellung von makroskopischen Scaffold-Strukturen eingesetzt und optimiert. Hierbei ist insbesondere der Badaufbau hervorzuheben, der es erlaubte Strukturen von prinzipiell unbegrenzter H{\"o}he mit Hilfe der Zwei-Photonen-Polymerisation herzustellen. Eine wesentliche Herausforderung der Aufskalierung der 2PP ist die Beschleunigung des Prozesses. Aus den Betrachtungen geht hervor, dass f{\"u}r eine gravierende Beschleunigung der 2PP-Strukturierung neben der Scan-Geschwindigkeit auch das Beschleunigungsverm{\"o}gen des Positionierungssystems entscheidend ist. Des Weiteren sind auch Parallelisierungsmethoden mit z. B. diffraktiven optischen Elementen n{\"o}tig, um ausreichende Prozessgeschwindigkeiten zu erzielen. Der Standardaufbau mit Luftobjektiven wurde dazu verwendet millimetergroße Strukturen mit hoher Qualit{\"a}t aus ORMOCER®en herzustellen. Auch wenn die maximale Strukturh{\"o}he durch den Arbeitsabstand des Objektivs beschr{\"a}nkt ist, hat sich gezeigt, dass dieser Aufbau sich f{\"u}r die einfache Herstellung von millimetergroßen Test-Scaffold-Strukturen eignet, welche z. B. f{\"u}r Zellwachstumsversuche oder mechanische Belastungstest eingesetzt werden k{\"o}nnen. Das biodegradierbare MB-47 wurde hierbei ebenfalls erfolgreich eingesetzt und u. a. f{\"u}r die Herstellung von Drug-Delivery-Strukturen verwendet. Der Badaufbau, basierend auf einem Materialbad mit durchsichtigem Boden, einem darin befindlichen und in der Vertikalen (z-Richtung) beweglichen Substrathalter sowie einer Belichtung von unten durch eine sich in der Ebene bewegende Fokussieroptik, wurde verwendet um eine Freiheitsstatue mit 2 cm H{\"o}he sowie millimetergroße Scaffold-Strukturen mit Porengr{\"o}ßen im Bereich von 40 bis 500 µm in ORMOCER-V zu realisieren. Weitere Strukturierungsresultate mit z. T. anwendungsbezogenem Hintergrund sind die Geh{\"o}rkn{\"o}chelchen des menschlichen Ohrs in Lebensgr{\"o}ße, ein Scaffold in Form eines Steigb{\"u}gels des menschlichen Ohrs, Test-Scaffold-Strukturen f{\"u}r mechanische oder biologische Untersuchungen sowie Drug-Delivery Strukturen. Es wurden Bauraten von bis zu 10 mm^3/h erzielt. Bez{\"u}glich der Prozessgeschwindigkeit und Strukturh{\"o}he wurde bei Weitem noch nicht das Potential des luftgelagerten Positioniersystems ausgesch{\"o}pft. Daf{\"u}r bedarf es einer Gewichtsoptimierung des bestehenden Belichtungsaufbau, um h{\"o}here Beschleunigungswerte und Scan-Geschwindigkeiten realisieren zu k{\"o}nnen. Unter Annahme einer effektiven Gewichtsoptimierung und der damit verbundenen Erh{\"o}hung der Beschleunigung auf 10 m/s^2 k{\"o}nnte eine Baurate bei einer Scan-Geschwindigkeit von 225 mm/s und einem Slice- und Hatch-Abstand von 15 und 10 µm von etwa 60 mm^3/h erzielt werden. Im Rahmen der Aufskalierung wurde ebenfalls der experimentelle Einsatz von diffraktiven optischen Elementen zur Fokus-Multiplikation untersucht. Die Experimente wurden mit Hilfe eines Elements durchgef{\"u}hrt, welches eine 2 x 2 Punkte-Matrix neben der ungebeugten 0. Ordnung bereitstellt und Bestandteil eines experimentellen Setups war, welches aus Linsen, Blenden und einem Objektiv zur Fokussierung bestand. Mit Hilfe der erzeugten Spot-Matrix wurden zum einen simultan vier Drug-Delivery-Strukturen hergestellt und zum anderen einzelne Scaffold-Strukturen realisiert. In jedem Fall wurde eine Beschleunigung des Prozess bzw. eine Erh{\"o}hung der Polymerisationsrate um den Faktor 4 f{\"u}r die verwendeten Parameter erreicht. Bei der Herstellung der Scaffolds wurden zwei unterschiedliche Strategien verfolgt. W{\"a}hrend zum einen die Periodizit{\"a}t der inneren Scaffold-Struktur auf die Fokusabst{\"a}nde angepasst und damit simultan vier aneinandergereihte Einheitszellen hergestellt wurden, konnte zum anderen auch demonstriert werden, dass durch die geschickte Bewegung der Fokusse eine ineinander verschobene Struktur m{\"o}glich ist. Der Vorteil der letzteren Strategie ist, dass auf diese Weise eine komplette Schicht gescannt werden kann und damit hohe Scan-Geschwindigkeiten realisiert werden k{\"o}nnen. Die erzielten Bauraten waren dennoch nicht gr{\"o}ßer als die Bauraten, die mit einem einzelnen Spot im Rahmen des Standardaufbaus oder des Badaufbaus erreicht wurden. Hierf{\"u}r bedarf es weiterer Optimierung der Parameter und des Setups. Transmittiert fokussiertes Licht eine Grenzfl{\"a}che zweier Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, dann tritt sph{\"a}rische Aberration auf, welche sich durch die Verbreiterung des Fokus besonders in axiale Richtung bemerkbar macht. Da diese im Rahmen der verwendeten Belichtungsstrategien die Strukturierungsergebnisse nachweislich beeintr{\"a}chtigen, wurden experimentelle Untersuchungen sowie Optimierungsroutinen diesbez{\"u}glich durchgef{\"u}hrt. Im Zusammenhang mit dem Standardaufbau wurde eine Leistungsanpassung w{\"a}hrend der Strukturierung vorgenommen. Auf diese Weise wurde erreicht, dass bei variabler Fokustiefe im Material die maximale Intensit{\"a}t trotz sph{\"a}rischer Aberration konstant gehalten wurde, wodurch sich die strukturelle Homogenit{\"a}t der Scaffolds entlang der axialen Richtung (optische Achse) deutlich verbesserte. Des Weiteren wurde der Badaufbau dazu verwendet, die axiale Intensit{\"a}tsverteilung in-situ f{\"u}r diskrete Fokustiefen unter der Verwendung eines Objektivs mit der NA von 0,60 abzubilden. Zu diesem Zweck wurde aus hergestellten Voxelfeldern eine Voxelfeldfunktion ermittelt und mit der axialen IPSF korreliert. Dabei wurde angenommen, dass sich das chemische Wechselwirkungsvolumen vernachl{\"a}ssigbar gering vom technischen Wechselwirkungsvolumen unterscheidet. Die experimentellen Ergebnisse zeigten deutlich die f{\"u}r sph{\"a}rische Aberrationen typischen Nebenmaxima auf. Die Lage bzw. Abst{\"a}nde dieser entsprachen in guter {\"U}bereinstimmung den jeweiligen Simulationen. Schließlich wurde noch die sph{\"a}rische Aberration durch den Korrekturring der Objektive f{\"u}r verschiedene Deckglasdicken korrigiert. Die resultierende IPSF wurde ebenfalls mit Hilfe des Badaufbaus abgebildet, wobei keinerlei Nebenmaxima gefunden werden konnten. Die Breite des Hauptmaximums konnte deutlich verringert werden. Zusammengefasst l{\"a}sst sich sagen, dass im Rahmen dieser Arbeit erhebliche Fortschritte bei der Aufskalierung der 2PP zur Erzeugung von Scaffold-Strukturen f{\"u}r die regenerative Medizin erzielt wurden. Die erreichten Strukturdimensionen und die Bauraten {\"u}bertreffen alle bis dato bekannten Ergebnisse. Dabei wurden auch durch theoretische Betrachtungen und experimentellen Methoden grundlegende Erkenntnisse {\"u}ber die Reaktionsdynamik der durch die Zwei-Photonen-Absorption initiierten Polymerisationsreaktion gewonnen. Nichtsdestotrotz sind einige Fragestellungen offen sowie Problematiken des Prozesses vorhanden, die f{\"u}r eine Realisierung von makroskopischen Scaffold-Strukturen gel{\"o}st werden m{\"u}ssen. So sind die realisierten Bauraten noch zu gering, um in angemessener Zeit makroskopische Scaffolds-Strukturen herzustellen, welche deutlich gr{\"o}ßer als 1 cm^3 sind. Aus diesem Grund m{\"u}ssen weitere Verbesserungen bez{\"u}glich der Scan-Geschwindigkeit sowie des Einsatzes von diffraktiven optischen Elementen zur Erh{\"o}hung der Polymerisationsrate erzielt werden. Da bei der Verwendung von Multi-Spot-Arrays, welche mit Hilfe gew{\"o}hnlicher diffraktiver optischer Elemente erzeugt wurden, die Realisierung von beliebigen und detaillierten {\"a}ußeren Scaffold-Formen eingeschr{\"a}nkt ist, empfiehlt es sich den Einsatz von Spatial Light-Modulatoren zu verfolgen. Diese fungieren als dynamisch modulierbares DOE, mit dem einzelne Spots gezielt ein- und ausgeblendet und Spotabst{\"a}nde dynamisch variiert werden k{\"o}nnen. Schließlich ist es vorstellbar, den Spatial Light-Modulator mit dem Badaufbau zu kombinieren, um uneingeschr{\"a}nkte, große Strukturen in annehmbarer Zeit mit hochaufgel{\"o}sten Details herstellen zu k{\"o}nnen. Dieses Vorgehen bedarf allerdings noch der tiefgreifenden Untersuchung der Potentiale des Spatial Light-Modulators. Dar{\"u}ber hinaus weisen die theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Reaktionskinetik darauf hin, dass die Voxelentstehung ein komplexer Prozess ist, der m{\"o}glicherweise auch durch nichtlineare optische Wechselwirkungseffekte abseits der Zwei-Photonen-Absorption beeinflusst wird. Daher sind hier weitere Untersuchungen und Berechnungen zu empfehlen, um z. B. den Einfluss einer intensit{\"a}tsabh{\"a}ngigen Brechzahl auf die Voxelbildung quantifizieren zu k{\"o}nnen. Entsprechende Ergebnisse k{\"o}nnten schließlich dazu dienen, dass im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell zur Voxelbildung, welches auf der getrennten Betrachtung von technischen und chemischen Wechselwirkungsvolumen basiert, zu verbessern. Ein leistungsf{\"a}higes Modell, welches die Voxelbildung in Abh{\"a}ngigkeit des Materials und der Fokussieroptik pr{\"a}zise vorhersagen kann, w{\"a}re f{\"u}r das Erzielen optimaler Strukturierungsergebnissen ein Gewinn.},
  subject      = {Tissue Engineering},
  language  = {de}
}