@article{HochleitnerJuengstBrownetal.2015, author = {Hochleitner, Gernot and J{\"u}ngst, Tomasz and Brown, Toby D and Hahn, Kathrin and Moseke, Claus and Jakob, Franz and Dalton, Paul D and Groll, J{\"u}rgen}, title = {Additive manufacturing of scaffolds with sub-micron filaments via melt electrospinning writing}, series = {Biofabrication}, volume = {7}, journal = {Biofabrication}, number = {3}, doi = {10.1088/1758-5090/7/3/035002}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-254053}, year = {2015}, abstract = {The aim of this study was to explore the lower resolution limits of an electrohydrodynamic process combined with direct writing technology of polymer melts. Termed melt electrospinning writing, filaments are deposited layer-by-layer to produce discrete three-dimensional scaffolds for in vitro research. Through optimization of the parameters (flow rate, spinneret diameter, voltage, collector distance) for poly-ϵ-caprolactone, we could direct-write coherent scaffolds with ultrafine filaments, the smallest being 817 ± 165 nm. These low diameter filaments were deposited to form box-structures with a periodicity of 100.6 ± 5.1 μm and a height of 80 μm (50 stacked filaments; 100 overlap at intersections). We also observed oriented crystalline regions within such ultrafine filaments after annealing at 55 °C. The scaffolds were printed upon NCO-sP(EO-stat-PO)-coated glass slide surfaces and withstood frequent liquid exchanges with negligible scaffold detachment for at least 10 days in vitro.}, language = {en} } @article{PaxtonSmolanBoecketal.2017, author = {Paxton, Naomi and Smolan, Willi and B{\"o}ck, Thomas and Melchels, Ferry and Groll, J{\"u}rgen and Jungst, Tomasz}, title = {Proposal to assess printability of bioinks for extrusion-based bioprinting and evaluation of rheological properties governing bioprintability}, series = {Biofabrication}, volume = {9}, journal = {Biofabrication}, number = {4}, doi = {10.1088/1758-5090/aa8dd8}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-254061}, year = {2017}, abstract = {The development and formulation of printable inks for extrusion-based 3D bioprinting has been a major challenge in the field of biofabrication. Inks, often polymer solutions with the addition of crosslinking to form hydrogels, must not only display adequate mechanical properties for the chosen application but also show high biocompatibility as well as printability. Here we describe a reproducible two-step method for the assessment of the printability of inks for bioprinting, focussing firstly on screening ink formulations to assess fibre formation and the ability to form 3D constructs before presenting a method for the rheological evaluation of inks to characterise the yield point, shear thinning and recovery behaviour. In conjunction, a mathematical model was formulated to provide a theoretical understanding of the pressure-driven, shear thinning extrusion of inks through needles in a bioprinter. The assessment methods were trialled with a commercially available cr{\`e}me, poloxamer 407, alginate-based inks and an alginate-gelatine composite material. Yield stress was investigated by applying a stress ramp to a number of inks, which demonstrated the necessity of high yield for printable materials. The shear thinning behaviour of the inks was then characterised by quantifying the degree of shear thinning and using the mathematical model to predict the window of printer operating parameters in which the materials could be printed. Furthermore, the model predicted high shear conditions and high residence times for cells at the walls of the needle and effects on cytocompatibility at different printing conditions. Finally, the ability of the materials to recover to their original viscosity after extrusion was examined using rotational recovery rheological measurements. Taken together, these assessment techniques revealed significant insights into the requirements for printable inks and shear conditions present during the extrusion process and allow the rapid and reproducible characterisation of a wide variety of inks for bioprinting.}, language = {en} } @article{WeisShanKuhlmannetal.2018, author = {Weis, Matthias and Shan, Junwen and Kuhlmann, Matthias and Jungst, Tomasz and Tessmar, J{\"o}rg and Groll, J{\"u}rgen}, title = {Evaluation of hydrogels based on oxidized hyaluronic acid for bioprinting}, series = {Gels}, volume = {4}, journal = {Gels}, number = {4}, issn = {2310-2861}, doi = {10.3390/gels4040082}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-197600}, pages = {82}, year = {2018}, abstract = {In this study, we evaluate hydrogels based on oxidized hyaluronic acid, cross-linked with adipic acid dihydrazide, for their suitability as bioinks for 3D bioprinting. Aldehyde containing hyaluronic acid (AHA) is synthesized and cross-linked via Schiff Base chemistry with bifunctional adipic acid dihydrazide (ADH) to form a mechanically stable hydrogel with good printability. Mechanical and rheological properties of the printed and casted hydrogels are tunable depending on the concentrations of AHA and ADH cross-linkers.}, language = {en} } @phdthesis{Juengst2019, author = {J{\"u}ngst, Tomasz}, title = {Establishing and Improving Methods for Biofabrication}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-173444}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2019}, abstract = {Die Biofabrikation ist ein junges und sehr dynamisches Forschungsgebiet mit viel Potential. Dieses Potential spiegelt sich unter anderem in den ambitionierten Zielen wieder, die man sich hier gesetzt hat. Wissenschaftler in diesem Gebiet wollen eines Tages beispielsweise funktionale menschliche Gewebe nachbilden, die aus patienteneigenen Zellen bestehen. Diese Gewebe sollen entweder f{\"u}r die Testung neuer Arzneimittel und Therapien oder sogar als Implantate einsetzt werden. Der Schl{\"u}ssel zum Erfolg soll hier die Verwendung automatisierter Prozesse in Verbindung mit innovativen Materialien sein, die es erm{\"o}glichen, die Hierarchie und Funktion des zu ersetzenden nat{\"u}rlichen Gewebes nachbilden. Obwohl in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht worden sind, gibt es immer noch H{\"u}rden, die {\"u}berwunden werden m{\"u}ssen. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die derzeit eingeschr{\"a}nkte Auswahl kompatibler Materialien f{\"u}r die Biofabrikation zu erweitern und bereits etablierte Verfahren wie den extrusionsbasierten Biodruck noch besser verstehen zu lernen. Auch neue Verfahren, wie etwa das Melt Electrospinning Writing (MEW) sollten etabliert werden. In Kapitel 3 dieser Arbeit wurde das MEW dazu verwendet, tubul{\"a}re Strukturen zu fertigen, die sich aus Polymerfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von nur etwa 12 μm zusammensetzen. Die mit Hilfe von Druckluft in Verbindung mit einer hohen elektrischen Spannung aus einer Nadelspitze austretende Polymerschmelze wurde hierbei auf zylinderf{\"o}rmigen Kollektoren mit Durchmessern zwischen 0.5 und 4.8mm gesammelt. Auf diese Weise wurden r{\"o}hrenf{\"o}rmige Faserkonstrukte generiert. Das Hauptaugenmerk lag auf dem Einfluss des Durchmessers, der Rotations- und Translationsbewegung des Kollektors auf die Morphologie der Faserkonstrukte. Hierzu wurden die Fasern erst auf unbewegten Kollektoren mit unterschiedlichen Durchmessern gesammelt und die entstehenden Muster analysiert. Es zeigte sich, dass das Fasermuster mit zunehmendem Durchmesser des Kollektors mehr den symmetrischen Konstrukten mit runder Grundfl{\"a}che glich, die auch von flachen Kollektoren bekannt sind. Je kleiner der Kollektordurchmesser wurde, desto ovaler wurde die Grundfl{\"a}che der Muster, was den Einfluss der Kr{\"u}mmung deutlich machte. In weiteren Experimenten wurden die zylindrischen Kollektoren mit Geschwindigkeiten von 4,2 bis 42 Umdrehungen pro Minute um ihre L{\"a}ngsachse gedreht. Die von flachen Kollektoren bekannten {\"U}berg{\"a}nge der Fasermorphologie konnten auch f{\"u}r runde Kollektoren best{\"a}tigt werden. So {\"a}nderte sich die Morphologie mit zunehmender Geschwindigkeit der Oberfl{\"a}che von einer achterf{\"o}rmigen Gestalt {\"u}ber eine sinusf{\"o}rmige Ausrichtung der Fasern hin zu einer geraden Linie. Der Einfluss des Kollektordurchmessers wurde auch hier deutlich, da sich etwa die Amplitude der bei Rotationsgeschwindigkeiten im Bereich sinusf{\"o}rmiger Ausrichtung abgelegten Fasern mit abnehmendem Radius erh{\"o}hte. Im n{\"a}chsten Schritt wurde neben der Rotation der Kollektoren auch eine Translation induziert. Durch geeignete Kombination von Rotation und Translation konnten Konstrukte mit definiertem Wickelwinkel hergestellt werden. Es zeigte sich, dass die Wiedergabe des vorher kalkulierten Winkels unter Verwendung von Oberfl{\"a}chengeschwindigkeiten, die nahe am {\"U}bergang zur geraden Faserausrichtung waren, am besten war. Im Rahmen dieser Arbeit konnten Winkel zwischen 5 und 60° mit hoher Pr{\"a}zision wiedergegeben werden. Im Falle von sich wiederholenden Mustern konnte auch in Bezug auf die Stapelbarkeit der Fasern aufeinander eine hohe Pr{\"a}zision erreicht werden. Kapitel 4 dieser Arbeit befasste sich mit dem extrusionsbasierten 3D-Druck. Das etabliere Verfahren wurde auf eine bisher wenig untersuchte Materialzusammensetzung von Nanopartikeln-beladenen Hydrogeltinten ausgeweitet. Die Tinte bestand aus einer Kombination von funktionalisierten Polyglyzidolen und einer unmodifizierten langkettingen Hyalurons{\"a}ure. Dieser wurden mesopor{\"o}se Silika-Nanopartikel mit unterschiedlicher Ladung zugesetzt und deren Freisetzung aus gedruckten Konstrukten mit einstellbarer Geometrien untersucht. Da die Hyalurons{\"a}ure selbst negativ geladen ist, wurde erwartet und auch gezeigt, dass aminofunktionalisierte Partikel mit positiver Ladung langsamer freigesetzt werden als carboxylfunktionalisierte Partikel mit negativer Ladung. Interessanterweise {\"a}nderten die Partikel nicht die rheologischen Eigenschaften der Tinte und es konnten Hydrogele, die mit positiv geladenen Partikeln beladen waren, bei den gleichen Druckparametern verdruckt werden, wie Hydrogele, die mit negativ geladenen Partikeln beladen waren. Die guten Druckeigenschaften der Tinten erm{\"o}glichten die pr{\"a}zise Fertigung von Konstrukten mit einer Gr{\"o}ße von 12x12x3mm^3, also von Konstrukten mit bis zu 16 aufeinanderfolgenden Lagen. Die Strangdurchmesser betrugen hierbei 627±31μm und die Verteilung der Partikel innerhalb der Str{\"a}nge war sehr homogen. Zudem konnten auch Strukturen gedruckt werden, bei denen beide Tintenarten, mit positiven und mit negativen Partikeln beladene Hydrogele, in einem Konstrukt kombiniert wurden. Hierbei zeigte sich, dass die Freisetzung der Partikel, die {\"u}ber 6 Wochen hinweg untersucht wurde, auch stark von der Geometrie der zwei-Komponenten-Konstrukte abhing. Insbesondere die Auswirkung des direkten Kontakts zwischen den Komponenten innerhalb eines Konstruktes war hier sehr deutlich. Wurden die Str{\"a}nge {\"u}ber Kreuz aufeinander abgelegt und hatten direkten Kontakt an den Kreuzungspunkten, konnte beobachtet werden, dass die positiv geladenen Partikel aus ihrem System in das mit den negativ geladenen Partikeln wanderten. Wurden die Str{\"a}nge ohne direkten Kontakt parallel nebeneinander abgelegt, wurden die positiv geladenen Partikel in umgebendes Medium freigesetzt, konnten aber selbst nach 6 Wochen nicht in den Str{\"a}ngen mit den negativ geladenen Partikeln nachgewiesen werden. Dies verdeutlicht, dass Geometrie und Ladung der Partikel einen Einfluss auf die Freisetzung der Partikel hatten und sich die Freisetzung der Partikel durch eine geschickte Kombination beider Parameter steuern l{\"a}sst. In Kapitel 5 dieser Arbeit wurde eine neue Materialklasse als Biotinte f{\"u}r den extrusionsbasierten Biodruck untersucht. Bei dem Material handelte es sich um Hydrogele auf Basis rekombinanter Spinnenseidenproteine. Diese konnten ab einer Proteinkonzentration von 3 \%Gew./Vol. ohne die Verwendung von Verdickungsmittel oder anderen Additiven und auch ohne eine nachtr{\"a}gliche Vernetzung verdruckt werden. Sowohl Hydrogele auf Basis des rekombinanten Proteins eADF4(C16) als auch eine mit einer RGD-Sequenz versehene Modifikation (eADF4(C16)-RGD) konnten mit einer hohen Formtreue verdruckt werden. Die RGD-Sequenz zeigte einen positiven Effekt auf das Anhaften von humanen Fibroblasten, die auf gedruckte Konstrukte ausges{\"a}t wurden. Zudem konnten mit Hilfe der Hydrogele auch zellbeladene Konstrukte gefertigt werden. Hierzu wurden die Hydrogele mit einer Zellsuspension so vermengt, dass eine finale Konzentration von 1,2 Millionen Zellen/ml erreicht wurde. Die beladenen Gele wurden verdruckt und es konnte eine {\"U}berlebensrate von 70,1±7,6\% nachgewiesen werden. Das in diesem Kapitel etablierte Materialsystem erm{\"o}glichte zum ersten Mal das Verdrucken lebender Zellen in einer neuen Klasse von Tinten, die weder die Beimengung von Verdickungsmittel noch einen zus{\"a}tzlichen Nachh{\"a}rtungsschritt f{\"u}r die Herstellung zellbeladener stabiler Konstrukte ben{\"o}tigt.}, subject = {3D-Druck}, language = {en} } @article{JungstPenningsSchmitzetal.2019, author = {Jungst, Tomasz and Pennings, Iris and Schmitz, Michael and Rosenberg, Antoine J. W. P. and Groll, J{\"u}rgen and Gawlitta, Debby}, title = {Heterotypic Scaffold Design Orchestrates Primary Cell Organization and Phenotypes in Cocultured Small Diameter Vascular Grafts}, series = {Advanced Functional Materials}, volume = {29}, journal = {Advanced Functional Materials}, doi = {10.1002/adfm.201905987}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-217039}, year = {2019}, abstract = {To facilitate true regeneration, a vascular graft should direct the evolution of a neovessel to obtain the function of a native vessel. For this, scaffolds have to permit the formation of an intraluminal endothelial cell monolayer, mimicking the tunica intima. In addition, when attempting to mimic a tunica media-like outer layer, the stacking and orientation of vascular smooth muscle cells (vSMCs) should be recapitulated. An integral scaffold design that facilitates this has so far remained a challenge. A hybrid fabrication approach is introduced by combining solution electrospinning and melt electrowriting. This allows a tissue-structure mimetic, hierarchically bilayered tubular scaffold, comprising an inner layer of randomly oriented dense fiber mesh and an outer layer of microfibers with controlled orientation. The scaffold supports the organization of a continuous luminal endothelial monolayer and oriented layers of vSM-like cells in the media, thus facilitating control over specific and tissue-mimetic cellular differentiation and support of the phenotypic morphology in the respective layers. Neither soluble factors nor a surface bioactivation of the scaffold is needed with this approach, demonstrating that heterotypic scaffold design can direct physiological tissue-like cell organization and differentiation.}, language = {en} } @article{LorsonRuoppNadernezhadetal.2020, author = {Lorson, Thomas and Ruopp, Matthias and Nadernezhad, Ali and Eiber, Julia and Vogel, Ulrich and Jungst, Tomasz and L{\"u}hmann, Tessa}, title = {Sterilization Methods and Their Influence on Physicochemical Properties and Bioprinting of Alginate as a Bioink Component}, series = {ACS Omega}, volume = {5}, journal = {ACS Omega}, number = {12}, doi = {10.1021/acsomega.9b04096}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-229460}, pages = {6481-6486}, year = {2020}, abstract = {Bioprinting has emerged as a valuable threedimensional (3D) biomanufacturing method to fabricate complex hierarchical cell-containing constructs. Spanning from basic research to clinical translation, sterile starting materials are crucial. In this study, we present pharmacopeia compendial sterilization methods for the commonly used bioink component alginate. Autoclaving (sterilization in saturated steam) and sterile filtration followed by lyophilization as well as the pharmacopeia non-compendial method, ultraviolet (UV)-irradiation for disinfection, were assessed. The impact of the sterilization methods and their effects on physicochemical and rheological properties, bioprinting outcome, and sterilization efficiency of alginate were detailed. Only sterile filtration followed by lyophilization as the sterilization method retained alginate's physicochemical properties and bioprinting behavior while resulting in a sterile outcome. This set of methods provides a blueprint for the analysis of sterilization effects on the rheological and physicochemical pattern of bioink components and is easily adjustable for other polymers used in the field of biofabrication in the future.}, language = {en} } @article{MechauFrankBakircietal.2021, author = {Mechau, Jannik and Frank, Andreas and Bakirci, Ezgi and Gumbel, Simon and Jungst, Tomasz and Giesa, Reiner and Groll, J{\"u}rgen and Dalton, Paul D. and Schmidt, Hans-Werner}, title = {Hydrophilic (AB)\(_{n}\) Segmented Copolymers for Melt Extrusion-Based Additive Manufacturing}, series = {Macromolecular Chemistry and Physics}, volume = {222}, journal = {Macromolecular Chemistry and Physics}, number = {1}, doi = {10.1002/macp.202000265}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-224513}, year = {2021}, abstract = {Several manufacturing technologies beneficially involve processing from the melt, including extrusion-based printing, electrospinning, and electrohydrodynamic jetting. In this study, (AB)\(_{n}\) segmented copolymers are tailored for melt-processing to form physically crosslinked hydrogels after swelling. The copolymers are composed of hydrophilic poly(ethylene glycol)-based segments and hydrophobic bisurea segments, which form physical crosslinks via hydrogen bonds. The degree of polymerization was adjusted to match the melt viscosity to the different melt-processing techniques. Using extrusion-based printing, a width of approximately 260 µm is printed into 3D constructs, with excellent interlayer bonding at fiber junctions, due to hydrogen bonding between the layers. For melt electrospinning, much thinner fibers in the range of about 1-15 µm are obtained and produced in a typical nonwoven morphology. With melt electrowriting, fibers are deposited in a controlled way to well-defined 3D constructs. In this case, multiple fiber layers fuse together enabling constructs with line width in the range of 70 to 160 µm. If exposed to water the printed constructs swell and form physically crosslinked hydrogels that slowly disintegrate, which is a feature for soluble inks within biofabrication strategies. In this context, cytotoxicity tests confirm the viability of cells and thus demonstrating biocompatibility of this class of copolymers.}, language = {en} } @article{HrynevichAchenbachJungstetal.2021, author = {Hrynevich, Andrei and Achenbach, Pascal and Jungst, Tomasz and Brook, Gary A. and Dalton, Paul D.}, title = {Design of Suspended Melt Electrowritten Fiber Arrays for Schwann Cell Migration and Neurite Outgrowth}, series = {Macromolecular Bioscience}, volume = {21}, journal = {Macromolecular Bioscience}, number = {7}, doi = {10.1002/mabi.202000439}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-257535}, year = {2021}, abstract = {In this study, well-defined, 3D arrays of air-suspended melt electrowritten fibers are made from medical grade poly(ɛ-caprolactone) (PCL). Low processing temperatures, lower voltages, lower ambient temperature, increased collector distance, and high collector speeds all aid to direct-write suspended fibers that can span gaps of several millimeters between support structures. Such processing parameters are quantitatively determined using a "wedge-design" melt electrowritten test frame to identify the conditions that increase the suspension probability of long-distance fibers. All the measured parameters impact the probability that a fiber is suspended over multimillimeter distances. The height of the suspended fibers can be controlled by a concurrently fabricated fiber wall and the 3D suspended PCL fiber arrays investigated with early post-natal mouse dorsal root ganglion explants. The resulting Schwann cell and neurite outgrowth extends substantial distances by 21 d, following the orientation of the suspended fibers and the supporting walls, often generating circular whorls of high density Schwann cells between the suspended fibers. This research provides a design perspective and the fundamental parametric basis for suspending individual melt electrowritten fibers into a form that facilitates cell culture.}, language = {en} } @article{GoetzHoleczekGrolletal.2021, author = {G{\"o}tz, Lisa-Marie and Holeczek, Katharina and Groll, J{\"u}rgen and J{\"u}ngst, Tomasz and Gbureck, Uwe}, title = {Extrusion-Based 3D Printing of Calcium Magnesium Phosphate Cement Pastes for Degradable Bone Implants}, series = {Materials}, volume = {14}, journal = {Materials}, number = {18}, issn = {1996-1944}, doi = {10.3390/ma14185197}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-246110}, year = {2021}, abstract = {This study aimed to develop printable calcium magnesium phosphate pastes that harden by immersion in ammonium phosphate solution post-printing. Besides the main mineral compound, biocompatible ceramic, magnesium oxide and hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) were the crucial components. Two pastes with different powder to liquid ratios of 1.35 g/mL and 1.93 g/mL were characterized regarding their rheological properties. Here, ageing over the course of 24 h showed an increase in viscosity and extrusion force, which was attributed to structural changes in HPMC as well as the formation of magnesium hydroxide by hydration of MgO. The pastes enabled printing of porous scaffolds with good dimensional stability and enabled a setting reaction to struvite when immersed in ammonium phosphate solution. Mechanical performance under compression was approx. 8-20 MPa as a monolithic structure and 1.6-3.0 MPa for printed macroporous scaffolds, depending on parameters such as powder to liquid ratio, ageing time, strand thickness and distance.}, language = {en} } @article{PienBartolf–KoppParmentieretal.2022, author = {Pien, Nele and Bartolf-Kopp, Michael and Parmentier, Laurens and Delaey, Jasper and de Vos, Lobke and Mantovani, Diego and van Vlierberghe, Sandra and Dubruel, Peter and Jungst, Tomasz}, title = {Melt Electrowriting of a Photo-Crosslinkable Poly(ε-caprolactone)-Based Material into Tubular Constructs with Predefined Architecture and Tunable Mechanical Properties}, series = {Macromolecular Materials and Engineering}, volume = {307}, journal = {Macromolecular Materials and Engineering}, number = {7}, issn = {1438-7492}, doi = {10.1002/mame.202200097}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-318524}, year = {2022}, abstract = {Melt electrowriting (MEW) is an additive manufacturing process that produces highly defined constructs with elements in the micrometer range. A specific configuration of MEW enables printing tubular constructs to create small-diameter tubular structures. The small pool of processable materials poses a bottleneck for wider application in biomedicine. To alleviate this obstacle, an acrylate-endcapped urethane-based polymer (AUP), using a poly(ε-caprolactone) (PCL) (molar mass: 20 000 g mol\(^{-1}\)) (AUP PCL20k) as backbone material, is synthesized and utilized for MEW. Spectroscopic analysis confirms the successful modification of the PCL backbone with photo-crosslinkable acrylate endgroups. Printing experiments of AUP PCL20k reveal limited printability but the photo-crosslinking ability is preserved post-printing. To improve printability and to tune the mechanical properties of printed constructs, the AUP-material is blended with commercially available PCL (AUP PCL20k:PCL in ratios 80:20, 60:40, 50:50). Print fidelity improves for 60:40 and 50:50 blends. Blending enables modification of the constructs' mechanical properties to approximate the range of blood vessels for transplantation surgeries. The crosslinking-ability of the material allows pure AUP to be manipulated post-printing and illustrates significant differences in mechanical properties of 80:20 blends after crosslinking. An in vitro cell compatibility assay using human umbilical vein endothelial cells also demonstrates the material's non-cytotoxicity.}, language = {en} }