@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}
}
@phdthesis{Kreutner2018,
  author    = {Kreutner, Jakob},
  title     = {Charakterisierung des Knochens und seiner Mikrostruktur mit hochaufl{\"o}sender 3D-MRT},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-168858},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Neue Therapieans{\"a}tze durch Tissue Engineering erfordern gleichzeitig angepasste Diagnosem{\"o}glichkeiten und nicht-invasive Erfolgskontrollen. Speziell die 3D-MR-Bildgebung ist ein vielversprechendes Instrument, um Parameter mit hoher r{\"a}umlicher Pr{\"a}zision zu quantifizieren. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Ans{\"a}tze f{\"u}r die hochaufl{\"o}sende 3D-MRT in vivo entwickelt und deren Eignung im Bereich des Tissue Engineerings gezeigt. Welchen Vorteil die Quantifizierung von Parametern bietet, konnte im Rahmen einer pr{\"a}-klinischen Studie an einem Modell der H{\"u}ftkopfnekrose gezeigt werden. Der Therapieverlauf wurde zu verschiedenen Zeitpunkten kontrolliert. Trotz der niedrigen r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung, konnten durch eine systematische Auswertung der Signalintensit{\"a}ten von T1- und T2-FS-gewichteten Aufnahmen R{\"u}ckschl{\"u}sse {\"u}ber Ver{\"a}nderungen in der Mikrostruktur gezogen werden, die dar{\"u}ber hinaus in guter {\"U}bereinstimmung mit Ergebnissen von ex vivo µCT-Aufnahmen waren. Dort konnte eine Verdickung der Trabekelstruktur nachgewiesen werden, welche sehr gut mit einer Signalabnahme in den T1-gewichteten Aufnahmen korrelierte. Die radiale Auswertung der Daten erlaubte dabei eine komprimierte Darstellung der Ergebnisse. Dadurch wurde eine effiziente Auswertung der umfangreichen Daten (verschiedene Tiere an mehreren Zeitpunkten mit einer Vielzahl an Einzelaufnahmen) erm{\"o}glicht und eine unabh{\"a}ngige Bewertung erreicht. Um die Limitationen der begrenzten Aufl{\"o}sung von 2D-Multi-Schichtaufnahmen aufzuheben, wurden neue Ans{\"a}tze f{\"u}r eine hochaufgel{\"o}ste 3D-Aufnahme entwickelt. Hierf{\"u}r wurden Spin-Echo-basierte Sequenzen gew{\"a}hlt, da diese eine genauere Abbildung der Knochenmikrostruktur erlauben als Gradienten-Echo-basierte Methoden. Zum einen wurde eine eigene 3D-FLASE-Sequenz entwickelt und zum anderen eine modifizierte 3D-TSE-Sequenz. Damit an Patienten Aufnahmen bei klinischer Feldst{\"a}rke von 1,5 T mit einer hohen r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung innerhalb einer vertretbaren Zeit erzielt werden k{\"o}nnen, muss eine schnelle und signalstarke Sequenz verwendet werden. Eine theoretische Betrachtung bescheinigte der TSE-Sequenz eine um 25 \% h{\"o}here Signaleffizienz verglichen mit einer FLASE-Sequenz mit identischer Messzeit. Dieser Unterschied konnte auch im Experiment nachgewiesen werden. Ein in vivo Vergleich der beiden Sequenzen am Schienbein zeigte eine vergleichbare Darstellung der Spongiosa mit einer Aufl{\"o}sung von 160 × 160 × 400 µm. F{\"u}r die Bildgebung des H{\"u}ftkopfs mit der neuen Sequenz waren jedoch aufgrund der unterschiedlichen Anatomie weitere Modifikationen notwendig. Um l{\"a}ngere Messzeiten durch ein unn{\"o}tig großes Field-of-View zu vermeiden, mussten Einfaltungsartefakte unterdr{\"u}ckt werden. Dies wurde durch die orthogonale Anwendung der Anregungs- und Refokussierungspulse in der TSE-Sequenz effizient gel{\"o}st. Technisch bedingt konnte jedoch nicht eine vergleichbare Aufl{\"o}sung wie am Schienbein realisiert werden. Der Vorteil der 3D-Bildgebung, dass Schichtdicken von deutlich weniger als 1 mm erreicht werden k{\"o}nnen, konnte jedoch erfolgreich auf den Unterkiefer {\"u}bertragen werden. Der dort verlaufende Nervus Mandibularis ist dabei eine wichtige Struktur, deren Verlauf im Vorfeld von verschiedenen operativen Eingriffen bekannt sein muss. Er ist durch eine d{\"u}nne kn{\"o}cherne Wand vom umgebenden Gewebe getrennt. Im Vergleich mit einer 3D-VIBE-Sequenz zeigte die entwickelte 3D-TSE-Sequenz mit integrierter Unterdr{\"u}ckung von Einfaltungsartefakten eine {\"a}hnlich gute Lokalisierung des Nervenkanals {\"u}ber die gesamte L{\"a}nge der Struktur. Dies konnte in einer Studie an gesunden Probanden mit verschiedenen Beobachtern nachgewiesen werden. Durch die neue Aufnahmetechnik konnte dar{\"u}ber hinaus die Aufl{\"o}sung im Vergleich zu bisherigen Studien deutlich erh{\"o}ht werden, was insgesamt eine pr{\"a}zisere Lokalisierung des Nervenkanals erlaubt. Ein Baustein des Tissue Engineerings sind bio-resorbierbare Materialien, deren Abbau- und Einwachsverhalten noch untersucht werden muss, bevor diese f{\"u}r die klinische Anwendung zugelassen werden. Die durchgef{\"u}hrten in vitro µMR-Untersuchungen an Polymerscaffolds zeigten die reproduzierbare Quantifizierung der Porengr{\"o}ße und Wandst{\"a}rke. Dar{\"u}ber hinaus wurde eine inhomogene Verteilung der Strukturparameter beobachtet. Die Ergebnisse waren in guter {\"U}bereinstimmung mit µCT-Aufnahmen als Goldstandard. Unterschiedliche Varianten der Scaffolds konnten identifiziert werden. Dabei bewies sich die MR-Bildgebung als zuverl{\"a}ssige Alternative. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, welche Vorteile und Anwendungsm{\"o}glichkeiten die 3D-MRT-Bildgebung bietet, und dass auch mit klinischer Feldst{\"a}rke in vivo Voxelgr{\"o}ßen im Submillimeterbereich f{\"u}r alle Raumrichtungen erreichbar sind. Die erzielten Verbesserungen in der r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung erh{\"o}hen die Genauigkeit der verschiedenen Anwendungen und erm{\"o}glichen eine bessere Identifikation von kleinen Abweichungen, was eine fr{\"u}here und zuverl{\"a}ssigere Diagnose f{\"u}r Patienten verspricht.},
  subject      = {Kernspintomografie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Andelovic2024,
  author    = {Andelovic, Kristina},
  title     = {Characterization of arterial hemodynamics using mouse models of atherosclerosis and tissue-engineered artery models},
  doi       = {10.25972/OPUS-30360},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-303601},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Within this thesis, three main approaches for the assessment and investigation of altered hemodynamics like wall shear stress, oscillatory shear index and the arterial pulse wave velocity in atherosclerosis development and progression were conducted: 1. The establishment of a fast method for the simultaneous assessment of 3D WSS and PWV in the complete murine aortic arch via high-resolution 4D-flow MRI 2. The utilization of serial in vivo measurements in atherosclerotic mouse models using high-resolution 4D-flow MRI, which were divided into studies describing altered hemodynamics in late and early atherosclerosis 3. The development of tissue-engineered artery models for the controllable application and variation of hemodynamic and biologic parameters, divided in native artery models and biofabricated artery models, aiming for the investigation of the relationship between atherogenesis and hemodynamics Chapter 2 describes the establishment of a method for the simultaneous measurement of 3D WSS and PWV in the murine aortic arch at, using ultra high-field MRI at 17.6T [16], based on the previously published method for fast, self-navigated wall shear stress measurements in the murine aortic arch using radial 4D-phase contrast MRI at 17.6 T [4]. This work is based on the collective work of Dr. Patrick Winter, who developed the method and the author of this thesis, Kristina Andelovic, who performed the experiments and statistical analyses. As the method described in this chapter is basis for the following in vivo studies and undividable into the sub-parts of the contributors without losing important information, this chapter was not split into the single parts to provide fundamental information about the measurement and analysis methods and therefore better understandability for the following studies. The main challenge in this chapter was to overcome the issue of the need for a high spatial resolution to determine the velocity gradients at the vascular wall for the WSS quantification and a high temporal resolution for the assessment of the PWV without prolonging the acquisition time due to the need for two separate measurements. Moreover, for a full coverage of the hemodynamics in the murine aortic arch, a 3D measurement is needed, which was achieved by utilization of retrospective navigation and radial trajectories, enabling a highly flexible reconstruction framework to either reconstruct images at lower spatial resolution and higher frame rates for the acquisition of the PWV or higher spatial resolution and lower frame rates for the acquisition of the 3D WSS in a reasonable measurement time of only 35 minutes. This enabled the in vivo assessment of all relevant hemodynamic parameters related to atherosclerosis development and progression in one experimental session. This method was validated in healthy wild type and atherosclerotic Apoe-/- mice, indicating no differences in robustness between pathological and healthy mice. The heterogeneous distribution of plaque development and arterial stiffening in atherosclerosis [10, 12], however, points out the importance of local PWV measurements. Therefore, future studies should focus on the 3D acquisition of the local PWV in the murine aortic arch based on the presented method, in order to enable spatially resolved correlations of local arterial stiffness with other hemodynamic parameters and plaque composition. In Chapter 3, the previously established methods were used for the investigation of changing aortic hemodynamics during ageing and atherosclerosis in healthy wild type and atherosclerotic Apoe-/- mice using the previously established methods [4, 16] based on high-resolution 4D-flow MRI. In this work, serial measurements of healthy and atherosclerotic mice were conducted to track all changes in hemodynamics in the complete aortic arch over time. Moreover, spatially resolved 2D projection maps of WSS and OSI of the complete aortic arch were generated. This important feature allowed for the pixel-wise statistical analysis of inter- and intragroup hemodynamic changes over time and most importantly - at a glance. The study revealed converse differences of local hemodynamic profiles in healthy WT and atherosclerotic Apoe-/- mice, with decreasing longWSS and increasing OSI, while showing constant PWV in healthy mice and increasing longWSS and decreasing OSI, while showing increased PWV in diseased mice. Moreover, spatially resolved correlations between WSS, PWV, plaque and vessel wall characteristics were enabled, giving detailed insights into coherences between hemodynamics and plaque composition. Here, the circWSS was identified as a potential marker of plaque size and composition in advanced atherosclerosis. Moreover, correlations with PWV values identified the maximum radStrain could serve as a potential marker for vascular elasticity. This study demonstrated the feasibility and utility of high-resolution 4D flow MRI to spatially resolve, visualize and analyze statistical differences in all relevant hemodynamic parameters over time and between healthy and diseased mice, which could significantly improve our understanding of plaque progression towards vulnerability. In future studies the relation of vascular elasticity and radial strain should be further investigated and validated with local PWV measurements and CFD. Moreover, the 2D histological datasets were not reflecting the 3D properties and regional characteristics of the atherosclerotic plaques. Therefore, future studies will include 3D plaque volume and composition analysis like morphological measurements with MRI or light-sheet microscopy to further improve the analysis of the relationship between hemodynamics and atherosclerosis. Chapter 4 aimed at the description and investigation of hemodynamics in early stages of atherosclerosis. Moreover, this study included measurements of hemodynamics at baseline levels in healthy WT and atherosclerotic mouse models. Due to the lack of hemodynamic-related studies in Ldlr-/- mice, which are the most used mouse models in atherosclerosis research together with the Apoe-/- mouse model, this model was included in this study to describe changing hemodynamics in the aortic arch at baseline levels and during early atherosclerosis development and progression for the first time. In this study, distinct differences in aortic geometries of these mouse models at baseline levels were described for the first time, which result in significantly different flow- and WSS profiles in the Ldlr-/- mouse model. Further basal characterization of different parameters revealed only characteristic differences in lipid profiles, proving that the geometry is highly influencing the local WSS in these models. Most interestingly, calculation of the atherogenic index of plasma revealed a significantly higher risk in Ldlr-/- mice with ongoing atherosclerosis development, but significantly greater plaque areas in the aortic arch of Apoe-/- mice. Due to the given basal WSS and OSI profile in these two mouse models - two parameters highly influencing plaque development and progression - there is evidence that the regional plaque development differs between these mouse models during very early atherogenesis. Therefore, future studies should focus on the spatiotemporal evaluation of plaque development and composition in the three defined aortic regions using morphological measurements with MRI or 3D histological analyses like LSFM. Moreover, this study offers an excellent basis for future studies incorporating CFD simulations, analyzing the different measured parameter combinations (e.g., aortic geometry of the Ldlr-/- mouse with the lipid profile of the Apoe-/- mouse), simulating the resulting plaque development and composition. This could help to understand the complex interplay between altered hemodynamics, serum lipids and atherosclerosis and significantly improve our basic understanding of key factors initiating atherosclerosis development. Chapter 5 describes the establishment of a tissue-engineered artery model, which is based on native, decellularized porcine carotid artery scaffolds, cultured in a MRI-suitable bioreactor-system [23] for the investigation of hemodynamic-related atherosclerosis development in a controllable manner, using the previously established methods for WSS and PWV assessment [4, 16]. This in vitro artery model aimed for the reduction of animal experiments, while simultaneously offering a simplified, but completely controllable physical and biological environment. For this, a very fast and gentle decellularization protocol was established in a first step, which resulted in porcine carotid artery scaffolds showing complete acellularity while maintaining the extracellular matrix composition, overall ultrastructure and mechanical strength of native arteries. Moreover, a good cellular adhesion and proliferation was achieved, which was evaluated with isolated human blood outgrowth endothelial cells. Most importantly, an MRI-suitable artery chamber was designed for the simultaneous cultivation and assessment of high-resolution 4D hemodynamics in the described artery models. Using high-resolution 4D-flow MRI, the bioreactor system was proven to be suitable to quantify the volume flow, the two components of the WSS and the radStrain as well as the PWV in artery models, with obtained values being comparable to values found in literature for in vivo measurements. Moreover, the identification of first atherosclerotic processes like intimal thickening is achievable by three-dimensional assessment of the vessel wall morphology in the in vitro models. However, one limitation is the lack of a medial smooth muscle cell layer due to the dense ECM. Here, the utilization of the laser-cutting technology for the generation of holes and / or pits on a microscale, eventually enabling seeding of the media with SMCs showed promising results in a first try and should be further investigated in future studies. Therefore, the proposed artery model possesses all relevant components for the extension to an atherosclerosis model which may pave the way towards a significant improvement of our understanding of the key mechanisms in atherogenesis. Chapter 6 describes the development of an easy-to-prepare, low cost and fully customizable artery model based on biomaterials. Here, thermoresponsive sacrificial scaffolds, processed with the technique of MEW were used for the creation of variable, biomimetic shapes to mimic the geometric properties of the aortic arch, consisting of both, bifurcations and curvatures. After embedding the sacrificial scaffold into a gelatin-hydrogel containing SMCs, it was crosslinked with bacterial transglutaminase before dissolution and flushing of the sacrificial scaffold. The hereby generated channel was subsequently seeded with ECs, resulting in an easy-to-prepare, fast and low-cost artery model. In contrast to the native artery model, this model is therefore more variable in size and shape and offers the possibility to include smooth muscle cells from the beginning. Moreover, a custom-built and highly adaptable perfusion chamber was designed specifically for the scaffold structure, which enabled a one-step creation and simultaneously offering the possibility for dynamic cultivation of the artery models, making it an excellent basis for the development of in vitro disease test systems for e.g., flow-related atherosclerosis research. Due to time constraints, the extension to an atherosclerosis model could not be achieved within the scope of this thesis. Therefore, future studies will focus on the development and validation of an in vitro atherosclerosis model based on the proposed bi- and three-layered artery models. In conclusion, this thesis paved the way for a fast acquisition and detailed analyses of changing hemodynamics during atherosclerosis development and progression, including spatially resolved analyses of all relevant hemodynamic parameters over time and in between different groups. Moreover, to reduce animal experiments, while gaining control over various parameters influencing atherosclerosis development, promising artery models were established, which have the potential to serve as a new platform for basic atherosclerosis research.},
  subject      = {H{\"a}modynamik},
  language  = {en}
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