TY  - THES
A1  - Gensler, Marius E.
T1  - Simultaneous printing of tissue and customized bioreactor
T1  - Simultanes Drucken von Gewebe und angepasstem Bioreaktor
N2  - Additive manufacturing processes such as 3D printing are booming in the industry due to their high degree of freedom in terms of geometric shapes and available materials. Focusing on patient-specific medicine, 3D printing has also proven useful in the Life Sciences, where it exploits the shape fidelity for individualized tissues in the field of bioprinting. In parallel, the current systems of bioreactor technology have adapted to the new manufacturing technology as well and 3D-printed bioreactors are increasingly being developed. For the first time, this work combines the manufacturing of the tissue and a tailored bioreactor, significantly streamlining the overall process and optimally merging the two processes. This way the production of the tissues can be individualized by customizing the reactor to the tissue and the patient-specific wound geometry. For this reason, a common basis and guideline for the cross-device and cross-material use of 3D printers was created initially. Their applicability was demonstrated by the iterative development of a perfusable bioreactor system, made from polydimethylsiloxane (PDMS) and a lignin-based filament, into which a biological tissue of flexible shape can be bioprinted. Cost-effective bioink-replacements and in silico computational fluid dynamics simulations were used for material sustainability and shape development. Also, nutrient distribution and shear stress could be predicted in this way pre-experimentally.
As a proof of functionality and adaptability of the reactor, tissues made from a nanocellulose-based Cellink® Bioink, as well as an alginate-based ink mixed with Me-PMeOx100-b-PnPrOzi100-EIP (POx) (Alginate-POx bioink) were successfully cultured dynamically in the bioreactor together with C2C12 cell line. Tissue maturation was further demonstrated using hMSC which were successfully induced to adipocyte differentiation. For further standardization, a mobile electrical device for automated media exchange was developed, improving handling in the laboratory and thus reduces the probability of contamination.
N2  - Additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck boomen in der Industrie aufgrund ihres hohen Freiheitsgrads in Bezug auf geometrische Formen und verfügbare Materialien. Mit Blick auf die patientenspezifische Medizin hat sich der 3D-Druck auch in den Biowissenschaften bewährt, wo er die Formtreue für individualisierte Gewebe im Bereich des Bioprinting nutzt. Parallel dazu haben sich auch die derzeitigen Systeme der Bioreaktortechnologie an die neue Fertigungstechnologie angepasst, und es werden zunehmend 3D-gedruckte Bioreaktoren entwickelt.
In dieser Arbeit werden erstmals die Herstellung des Gewebes und ein maßgeschneiderter Bioreaktor kombiniert, wodurch der Gesamtprozess erheblich gestrafft und beide Verfahren optimal zusammengeführt werden. Auf diese Weise kann die Herstellung der Gewebe individualisiert werden, indem der Reaktor an das Gewebe und die patientenspezifische Wundgeometrie angepasst wird. Aus diesem Grund wurde zunächst eine gemeinsame Basis und Leitlinie für den Geräte- und Materialübergreifenden Einsatz von 3D-Druckern geschaffen. Deren Anwendbarkeit wurde durch die iterative Entwicklung eines perfundierbaren Bioreaktorsystems aus Polydimethylsiloxan (PDMS) und einem Lignin-basierten Filament demonstriert, in das ein biologisches Gewebe mit flexibler Form gedruckt werden kann. Kostengünstige Biotintenalternativen und emph in silico Computational Fluid Dynamics Simulationen wurden für eine materialschonende Formentwicklung verwendet. Nährstoffverteilung und Scherspannung konnten auf diese Weise präexperimentell vorhergesagt werden.
Als Beweis für die Funktionalität und Anpassbarkeit des Reaktors wurden Gewebe aus einer Cellink® Bioink auf Nanocellulosebasis sowie einer Tinte auf Alginatbasis, welche mit Me-PMeOx100-b-PnPrOzi100-EIP (POx) gemischt wurde (Alginat-POx-Bioink), erfolgreich zusammen mit C2C12-Zelllinie dynamisch im Reaktor kultiviert. Die Gewebereifung wurde außerdem mit hMSC demonstriert, die erfolgreich zur adipozyten Differenzierung induziert wurden. Zur weiteren Standardisierung wurde ein mobiles elektrisches Gerät für den automatischen Medienwechsel entwickelt, welches die Handhabung im Labor verbessert und damit die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination deutlich verringert.
KW  - 3 D bioprinting
KW  - Tissue Engineering
KW  - Bioreactor
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280190
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ramani Mohan, Ramkumar
T1  - Effect of Mechanical Stress On Stem Cells to Improve Better Bone Regeneration
T1  - Die Auswirkung von mechanischer Belastung auf Stammzellen zur Verbesserung der Knochenregeneration
N2  - Critical size bone defects and nonunion fractures remain difficult to treat. Although cell‐loaded bone substitutes have improved bone ingrowth and formation, the lack of methods for achieving viability and the uniform distribution of cells in the scaffold limits their use as bone grafts. In addition, the predominant mechanical stimulus that drives early osteogenic cell maturation has not been clearly identified. Further, it is challenging to evaluate mechanical stimuli (i.e., deformation and fluid–flow-induced shear stress) because they are interdependent. This thesis compares different mechanical stimuli applied to cell-seeded scaffolds to develop bone grafts efficiently for the treatment of critical size bone defects. It also seeks to understand how deformation strain and interstitial fluid–flow-induced shear stress promote osteogenic lineage commitment. In this thesis, different scaffolds were seeded with primary human bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) from different donors and subjected to static and dynamic culture conditions. In contrast with the static culture conditions, homogenous cell distributions were accomplished under dynamic culture conditions. Additionally, the induction of osteogenic lineage commitment without the addition of soluble factors was observed in the bioreactor system after one week of cell culture. To determine the role of mechanical stimuli, a bioreactor was developed to apply mechanical deformation force to a mesenchymal stem sell (MSC) line (telomerase reverse transcriptase (TERT)) expressing a strain-responsive AP-1 luciferase reporter construct on porous scaffolds. Increased luciferase expression was observed in the deformation strain compared with the shear stress strain. Furthermore, the expression of osteogenic lineage commitment markers such as osteonectin, osteocalcin (OC), osteopontin, runt-related transcription factor 2 (RUNX2), alkaline phosphate (AP), and collagen type 1 was significantly downregulated in the shear stress strain compared with the deformation strain. These findings establish that the deformation strain was the predominant stimulus causing skeletal precursors to undergo osteogenesis in earlier stages of osteogenic cell maturation. Finally, these findings were used to develop a bioreactor in vitro test system in which the effect of medication on osteoporosis could be tested. Primary human BM-MSCs from osteoporotic donors were subjected to strontium ranelate (an osteoporotic drug marketed as Protelos®). Increased expression of collagen type 1 and calcification was seen in the drugtreated osteoporotic stem cells compared with the nondrug-treated osteoporotic stem cells. Thus, this bioreactor technology can easily be adapted into an in vitro osteoporotic drug testing system.
N2  - Knochendefekte kritischer Größe und Frakturen mit Pseudoarthrose bleiben schwierig zu behandeln. Obwohl zellbeladene Knochenersatzprodukte das Einwachsen und die Bildung von Knochen verbessert haben, schränken fehlende Methoden zur Erreichung der Lebensfähigkeit und der gleichmäßigen Verteilung der Zellen im Gerüst die Verwendung von Knochenersatzprodukten als Knochentransplantate ein. Ebenfalls konnte der vorherrschende mechanische Reiz, der die frühe osteogene Zellreifung antreibt nicht eindeutig identifiziert werden. Ferner ist es schwierig, mechanische Reize (d. H. Verformung und durch Flüssigkeitsströmung induzierte Scherbeanspruchung) zu bewerten, da diese Größen sie voneinander abhängig sind. Diese Arbeit vergleicht die Auswirkung verschiedener mechanischer Reize auf mit Zellen besiedelte Gerüste, um herauszufinden, ob Knochentransplantate effizient entwickelt werden können damit sie für die Behandlung von Knochendefekten einsetzbar sind. Des Weiteren wird versucht zu verstehen, wie Verformungsdehnung und durch interstitielle Flüssigkeitsströmung induzierte Scherbeanspruchung die Bindung osteogener Linien fördern. In dieser Arbeit wurden verschiedene Gerüste mit primären mesenchymalen Knochenmarkstammzellen (BM-MSCs) von verschiedenen Spendern ausgesät und statischen und dynamischen Kulturbedingungen ausgesetzt. Im Gegensatz zu den statischen Kulturbedingungen wurde unter dynamischen Kulturbedingungen eine homogene Zellverteilungen erreicht. Zusätzlich wurde im Bioreaktorsystem nach einer Woche Zellkultur eine Formung einer osteogenen Linienbindung auch ohne Zusätze von löslichen Faktoren beobachtet. Um die Rolle mechanischer Stimuli zu bestimmen, wurde ein Bioreaktor entwickelt, um auf porösen Scaffolds eine mechanische Verformungskraft auf eine mesenchymale Stammzelllinie (MSC) (Telomerase Reverse Transkriptase (TERT)) auszuüben. Diese exprimiert ein auf Dehnung ansprechendes AP-1-Luciferase-Reporterkonstrukt. Eine erhöhte LuciferaseExpression wurde in der Verformungsdehnung im Vergleich zur Scherspannungsdehnung beobachtet. Darüber hinaus war die Expression von osteogenen Linien Marker wie Osteonektin, Osteocalcin (OC), Osteopontin, Runt-verwandtem Transkriptionsfaktor 2 (RUNX2), alkalischem Phosphat (AP) und Kollagen Typ 1 in der Scherbeanspruchungsbelastung im Vergleich zur Verformungsdehnung signifikant herabreguliert. Diese Befunde belegen, dass die Verformungsdehnung der vorherrschende Stimulus war, der dazu führte, dass Skelettvorläufer in früheren Stadien der osteogenen Zellreifung eine Osteogenese durchliefen. Schließlich wurden diese Ergebnisse verwendet, um ein Bioreaktor-In-vitro-Testsystem zu entwickeln, in dem die Wirkung von Medikamenten auf Osteoporose getestet werden konnte. Primäre humane BM-MSCs von osteoporotischen Spendern wurden Strontiumranelat (einem als Protelos® vertriebenen Arzneimittel zur Therapie der Osteoporose) ausgesetzt. Eine erhöhte Expression von Kollagen Typ 1 und Verkalkung wurde in den mit Arzneimitteln behandelten osteoporotischen Stammzellen im Vergleich zu den nicht mit Arzneimitteln behandelten osteoporotischen Stammzellen beobachtet. Somit kann diese Bioreaktortechnologie leicht in ein in vitro Arzneimitteltestsystem angepasst werden.
KW  - Bioreactor
KW  - Mechanical deformation
KW  - Scaffold bone implant
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240134
ER  -