TY  - THES
A1  - Bakirci, Ezgi
T1  - Development of \(In\) \(vitro\) Models for Tissue Engineering Applications Using a High-Resolution 3D Printing Technology
T1  - Entwicklung von \(In\) \(vitro\)-Modellen für Tissue-Engineering-Anwendungen mithilfe einer hochauflösenden 3D-Drucktechnologie
N2  - In vitro models mimic the tissue-specific anatomy and play essential roles in personalized medicine and disease treatments. As a sophisticated manufacturing technology, 3D printing overcomes the limitations of traditional technologies and provides an excellent potential for developing in vitro models to mimic native tissue. This thesis aims to investigate the potential of a high-resolution 3D printing technology, melt electrowriting (MEW), for fabricating in vitro models. MEW has a distinct capacity for depositing micron size fibers with a defined design. In this thesis, three approaches were used, including 1) extending the MEW polymer library for different biomedical applications, 2) developing in vitro models for evaluation of cell growth and migration toward the different matrices, and 3) studying the effect of scaffold designs and biochemical cues of microenvironments on cells.

First, we introduce the MEW processability of (AB)n and (ABAC)n segmented copolymers, which have thermally reversible network formulation based on physical crosslinks. Bisurea segments are combined with hydrophobic poly(dimethylsiloxane) (PDMS) or hydrophilic poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide) (PPO-PEG-PPO) segments to form the (AB)n segmented copolymers. (ABAC)n segmented copolymers contain all three segments: in addition to bisurea, both hydrophobic and hydrophilic segments are available in the same polymer chain, resulting in tunable mechanical and biological behaviors. MEW copolymers either support cells attachment or dissolve without cytotoxic side effects when in contact with the polymers at lower concentrations, indicating that this copolymer class has potential in biological applications. The unique biological and surface properties, transparency, adjustable hydrophilicity of these copolymers could be beneficial in several in vitro models. 

The second manuscript addresses the design and development of a melt electrowritten competitive 3D radial migration device. The approach differs from most of the previous literature, as MEW is not used here to produce cell invasive scaffolds but to fabricate an in vitro device. The device is utilized to systematically determine the matrix which promotes cell migration and growth of glioblastoma cells. The glioblastoma cell migration is tested on four different Matrigel concentrations using a melt electrowritten radial device. The glioblastoma U87 cell growth and migration increase at Matrigel concentrations 6 and 8 mg mL-1 In the development of this radial device, the accuracy, and precision of melt electrowritten circular shapes were investigated. The results show that the printing speed and design diameter are essential parameters for the accuracy of printed constructs. It is the first instance where MEW is used for the production of in vitro devices. 

The influence of biochemical cues and scaffold designs on astrocytes and glioblastoma is investigated in the last manuscript. A fiber comprising the box and triangle-shaped pores within MEW scaffolds are modified with biochemical cues, including RGD and IKVAV peptides using a reactive NCO-sP(EO-stat-PO) macromer. The results show that astrocytes and glioblastoma cells exhibit different phenotypes on scaffold designs and peptide-coated scaffolds.
N2  - In-vitro-Modelle sind Werkzeuge, die die gewebespezifische Anatomie nachbilden und eine wesentliche Rolle in der personalisierten Medizin und bei der Behandlung von Krankheiten spielen. Als hochentwickelte, multifunktionale Fertigungstechnologie überwindet der 3D-Druck die Grenzen herkömmlicher Technologien und bietet ein hervorragendes Potenzial für die Herstellung von In-vitro-Modellen. Der 3D-Druck ist eine der vielversprechendsten Techniken, um biologische Materialien in einer komplexen Anordnung zusammenzusetzen, die das natürliche Gewebe nachahmt. 

In dieser Arbeit soll das Potenzial der hochauflösenden 3D-Drucktechnologie melt electrowriting (MEW), für die Herstellung von In-vitro-Modellen untersucht werden. Wir konzentrieren uns auf drei Ansätze: 1) die Erweiterung der MEW-Polymerbibliothek für verschiedene biomedizinische Anwendungen, 2) die Entwicklung von In-vitro-Modellen zur Bewertung des Zellwachstums und der Zellmigration in Richtung der verschiedenen Matrizes und 3) die Untersuchung der Auswirkungen von MEW-Gerüstdesigns und biochemischen Faktoren der Mikroumgebung auf Zellen.

Zunächst haben wir die MEW-Verarbeitbarkeit von segmentierten (AB)n- und (ABAC)n-Copolymeren vorgestellt, die eine thermisch reversible Netzwerkformulierung auf der Grundlage physikalischer Vernetzungen aufweisen. Bisurea-Segmente werden mit hydrophoben hydrophobic poly(dimethyl siloxane) (PDMS) oder hydrophilen poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide) (PPO-PEG-PPO) Segmenten kombiniert, um die (AB)n segmentierten Copolymere zu bilden. Segmentierte (ABAC)n-Copolymere enthalten alle drei Segmente: Zusätzlich zu den Bisurea-Segmenten sind sowohl hydrophobe als auch hydrophile Segmente in derselben Polymerkette vorhanden, was den segmentierten (ABAC)n-Copolymeren abstimmbare mechanische und biologische Eigenschaften verleiht. MEW-Copolymere unterstützten entweder die Anhaftung an Zellen oder lösten sich ohne zytotoxische Nebenwirkungen auf, wenn sie in niedrigeren Konzentrationen mit ihnen in Berührung kamen, was darauf hindeutet, dass diese Copolymerklasse über umfassende biologische Eigenschaften verfügt. Die einzigartigen biologischen Eigenschaften und Oberflächeneigenschaften, die Transparenz und die einstellbare Hydrophilie dieser Copolymere könnten in verschiedenen In-vitro-Modellen von Vorteil sein. 

Das zweite Manuskript befasst sich mit einem durch MEW hergestellten wettbewerbsfähigen 3D-Radialmigrationsdesign. Der Ansatz unterscheidet sich vom Großteil der MEW-Literatur, da MEW nicht zur Herstellung von invasiven Zellgerüsten verwendet wurde, sondern zur Herstellung eines In-vitro-Designs diente. Das Design wurde verwendet, um systematisch die Matrix zu bestimmen, die die Zellmigration und das Wachstum von Glioblastomzellen fördert. Die Migration der Glioblastomzellen wurde auf vier verschiedenen Matrigel-Konzentrationen unter Verwendung einer durch MEW hergestellten Radialvorrichtung getestet. Das Wachstum und die Migration der Glioblastomzellen U87 nahmen bei Matrigelkonzentrationen von 6 und 8 mg mL-1 zu. Wir untersuchten auch die Genauigkeit und Präzision der durch MEW erzeugten Kreisformen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Druckgeschwindigkeit und der Designdurchmesser wesentliche Parameter für die Genauigkeit der gedruckten Konstrukte sind. Die Arbeit ist die erste Studie, die MEW für die Herstellung von In-vitro-Modellen verwendet. 

Im letzten Manuskript wurde der Einfluss von biochemische Funktionalisierung in Kombination mit Gerüstdesigns auf Astrozyten und Glioblastome untersucht. Die kastenförmigen und achteckigen MEW-Gerüste wurden mit biochemischen Wirkstoffen modifiziert, darunter RGD- und IKVAV-Peptide unter Verwendung von reaktivem NCO-sP(EO-stat-PO). Wir fanden heraus, dass Astrozyten und Glioblastomzellen unterschiedliche Phänotypen auf den verschiedenen Designs und mit Peptiden beschichteten Gerüsten aufweisen.
KW  - Melt electrowriting
KW  - 3D-Druck
KW  - 3D printing
KW  - In vitro model
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251645
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jung, Melissa
T1  - Entwicklung und Charakterisierung vorgemischter lagerstabiler Zementpasten für den 3D-Druck
T1  - Development and characterization of premixed cement pastes for 3D printing
N2  - Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Charakterisierung vorgemischter Calciumphosphatzementpasten sowie die Übertragung des Konzepts dieser Pasten auf den 3D-Druck. Es wurden drei verschiedene Zementformulierungen untersucht, basierend auf Pulvermischungen aus α-TCP/DCPA/CaCO3 (Biozement D), TTCP/DCPA und β-TCP/MCPA, die auf verschiedene Materialeigenschaften geprüft und einem 3D-Druckversuch unterzogen wurden. Die Biozement D Paste wurde mit drei Pulver-Flüssigkeits-Verhältnissen (PLR) (80/20, 85/15, 87/13), die TTCP/DCPA Paste mit zwei PLR (83/17, 85/15), und die β-TCP/MCPA Paste ebenfalls mit zwei PLR (67/33, 70/30) getestet. Alle Pasten konnten mit dem 3D-Drucker erfolgreich verdruckt werden. Die Biozement D Paste mit dem PLR 85/15 stellte sich in ihrer Gruppe als die geeignetste Paste heraus. Bessere Ergebnisse bezüglich der Injizierbarkeit und Druckbarkeit erreichte die TTCP/DCPA Paste. Hier wurden mit beiden PLR formstabile Scaffolds erzielt. Feine Wabenmuster konnten mit dem PLR von 83/17 in Kombination mit einer hohen Druckgeschwindigkeit hergestellt werden. Mit dem höheren PLR (85/15) und einer niedrigeren Druckgeschwindigkeit stieg die Formstabilität weiter an, wodurch die hexagonale Struktur exakter gedruckt werden konnte. Ein gutes Druckergebnis konnte auch mit der β-TCP/MCPA Paste und dem PLR 70/30 erreicht werden.
N2  - The aim of this work was the development and characterization of pre-mixed calcium phosphate cement pastes and the transfer of the concept of these pastes to 3D printing. Three different cement formulations were tested, based on powder mixture of α-TCP/DCPA/CaCO3 (Biozement D), TTCP/DCPA and β-TCP/MCPA, which were analyzed for various material properties and subjected to a 3D printing process. The Biozement D paste was made with three powder-to-liquid ratios (PLR) (80/20, 85/15, 87/13), the TTCP/DCPA paste with two PLRs (83/17, 85/15), and the β-TCP/MCPA paste also with two PLR (67/33, 70/30). Every paste could be successfully printed with the 3D printer. The Biozement D paste with the PLR 85/15 turned out to be the most suitable paste in its group. The TTCP/DCPA paste achieved better results in terms of injectability and printability. Dimensionally stable scaffolds were achieved with both PLR. Fine honeycomb patterns could be produced with the PLR of 83/17 in combination with a high printing speed. With the higher PLR (85/15) and a lower printing speed, the dimensional stability increased further, which enabled the hexagonal structure to be printed more precisely. A good print result could also be achieved with the β-TCP/MCPA paste and the PLR 70/30.
KW  - Knochenzemente
KW  - 3D-Druck
KW  - vorgemischt
KW  - Zementpaste
KW  - 3d printing
KW  - premixed
KW  - cement paste
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230189
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jüngst, Tomasz
T1  - Establishing and Improving Methods for Biofabrication
T1  - Etablierung und Verbesserung von Methoden für die Biofabrikation
N2  - 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 für die Testung neuer Arzneimittel und Therapien oder sogar als Implantate einsetzt werden. Der Schlüssel zum Erfolg soll hier die Verwendung automatisierter Prozesse in Verbindung mit innovativen Materialien sein, die es ermöglichen, die Hierarchie und Funktion des zu ersetzenden natürlichen Gewebes nachbilden. Obwohl in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht worden sind, gibt es immer noch Hürden, die überwunden werden müssen. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die derzeit eingeschränkte Auswahl kompatibler Materialien für 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, tubuläre 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 zylinderförmigen Kollektoren mit Durchmessern zwischen 0.5 und 4.8mm gesammelt. Auf diese Weise wurden röhrenförmige 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 Grundfläche glich, die auch von flachen Kollektoren bekannt sind. Je kleiner der Kollektordurchmesser wurde, desto ovaler wurde die Grundfläche der Muster, was den Einfluss der Krümmung deutlich machte. In weiteren Experimenten wurden die zylindrischen Kollektoren mit Geschwindigkeiten von 4,2 bis 42 Umdrehungen pro Minute um ihre Längsachse gedreht. Die von flachen Kollektoren bekannten Übergänge der Fasermorphologie konnten auch für runde Kollektoren bestätigt werden. So änderte sich die Morphologie mit zunehmender Geschwindigkeit der Oberfläche von einer achterförmigen Gestalt über eine sinusförmige 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 sinusförmiger Ausrichtung abgelegten Fasern mit abnehmendem Radius erhöhte. Im nächsten 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 Oberflächengeschwindigkeiten, die nahe am Übergang zur geraden Faserausrichtung waren, am besten war. Im Rahmen dieser Arbeit konnten Winkel zwischen 5 und 60° mit hoher Präzision wiedergegeben werden. Im Falle von sich wiederholenden Mustern konnte auch in Bezug auf die Stapelbarkeit der Fasern aufeinander eine hohe Präzision 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 Hyaluronsäure. Dieser wurden mesoporöse Silika-Nanopartikel mit unterschiedlicher Ladung zugesetzt und deren Freisetzung aus gedruckten Konstrukten mit einstellbarer Geometrien untersucht. Da die Hyaluronsäure 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 änderten 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 ermöglichten die präzise Fertigung von Konstrukten mit einer Größe 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 Stränge 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 über 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 Stränge über 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 Stränge ohne direkten Kontakt parallel nebeneinander abgelegt, wurden die positiv geladenen Partikel in umgebendes Medium freigesetzt, konnten aber selbst nach 6 Wochen nicht in den Strängen 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 lässt.
In Kapitel 5 dieser Arbeit wurde eine neue Materialklasse als Biotinte für 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 nachträgliche 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 ausgesät 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 Überlebensrate von 70,1±7,6% nachgewiesen werden. Das in diesem Kapitel etablierte Materialsystem ermöglichte zum ersten Mal das Verdrucken lebender Zellen in einer neuen Klasse von Tinten, die weder die Beimengung von Verdickungsmittel noch einen zusätzlichen Nachhärtungsschritt für die Herstellung zellbeladener stabiler Konstrukte benötigt.
N2  - Biofabrication is an advancing new research field that might, one day, lead to complex products like tissue replacements or tissue analogues for drug testing. Although great progress was made during the last years, there are still major hurdles like new types of materials and advanced processing techniques. The main focus of this thesis was to help overcoming this hurdles by challenging and improving existing fabrication processes like extrusion-based bioprinting but also by developing new techniques. Furthermore, this thesis assisted in designing and processing materials from novel building blocks like recombinant spider silk proteins or inks loaded with charged nanoparticles.
A novel 3D printing technique called Melt Electrospinning Writing (MEW) was used in Chapter 3 to create tubular constructs from thin polymer fibers (roughly 12 μm in diameter) by collecting the fibers onto rotating and translating cylinders. The main focus was put on the influence of the collector diameter and its rotation and translation on the morphology of the constructs generated by this approach. In a first step, the collector was not moving and the pattern generated by these settings was analyzed. It could be shown that the diameter of the stationary collectors had a big impact on the morphology of the constructs. The bigger the diameter of the mandrel (smallest collector diameters 0.5 mm, biggest 4.8 mm) got, the more the shape of the generated footprint converged into a circular one known from flat collectors. In a second set of experiments the mandrels were only rotated. Increasing the rotational velocity from 4.2 to 42.0 rpm transformed the morphology of the constructs from a figure-of-eight pattern to a sinusoidal and ultimately to a straight fiber morphology. It was possible to prove that the transformation of the pattern was comparable to what was known from increasing the speed using flat collectors and that at a critical speed, the so called critical translation speed, straight fibers would appear that were precisely stacking on top of each other. By combining rotation and translation of the mandrel, it was possible to print tubular constructs with defined winding angles. Using collections speeds close to the critical translation speed enabled higher control of fiber positioning and it was possible to generate precisely stacked constructs with winding angles between 5 and 60°.
In Chapter 4 a different approach was followed. It was based on extrusion-based bioprinting in combination with a hydrogel ink system. The ink was loaded with nanoparticles and the nanoparticle release was analyzed. In other words, two systems, a printable polyglycidol/hyaluronic acid ink and mesoporous silica nanoparticles (MSN), were combined to analyze charge driven release mechanism that could be fine-tuned using bioprinting. Thorough rheological evaluations proved that the charged nanoparticles, both negatively charged MSN-COOH and positively charged MSN-NH2, did not alter the shear thinning properties of the ink that revealed a negative base charge due to hyaluronic acid as one of its main components. Furthermore, it could be shown that the particles did also not have a negative effect on the recovery properties of the material after exposure to high shear. During printing, the observations made via rheological testing were supported by the fact that all materials could be printed at the same settings of the bioprinter. Using theses inks, it was possible to make constructs as big as 12x12x3 mm3 composed of 16 layers. The fiber diameters produced were about 627±31 μm and two-component constructs could be realized utilizing the two hydrogel print heads of the printer to fabricate one hybrid construct. The particle distribution within those constructs was homogeneous, both from a microscopic and a macroscopic point of view. Particle release from printed constructs was tracked over 6 weeks and revealed that the print geometry had an influence on the particle release. Printed in a geometry with direct contact between the strands containing different MSN, the positively charged particles quickly migrated into the strand previously containing only negatively charged MSN-COOH. The MSN-COOH seemed to be rather released into the surrounding liquid and also after 6 weeks no MSN-COOH signal could be detected in the strand previously only containing MSN-NH2. In case of a geometry without direct contact between the strands, the migration of the positively charged nanoparticles into the MSN-COOH containing strand was strongly delayed. This proved that the architecture of the printed construct can be used to fine-tune the particle release from nanoparticle containing printable hydrogel ink systems.
Chapter 5 discusses an approach using hydrogel inks based on recombinant spider silk proteins processed via extrusion-based bioprinting. The ink could be applied for printing at protein concentrations of 3 % w/v without the addition of thickeners or any post process crosslinking. Both, the recombinant protein eADF4(C16) and a modification introducing a RGD-sequence to the protein (eADF4(C16)-RGD), could be printed revealing a very good print fidelity. The RGD modification had positive effect on the adhesion of cells seeded onto printed constructs. Furthermore, human fibroblasts encapsulated in the ink at concentrations of 1.2 million cells per mL did not alter the print fidelity and did not interfere with the crosslinking mechanism of the ink. This enabled printing cell laden constructs with a cell survival rate of 70.1±7.6 %. Although the cell survival rate needs to be improved in further trials, the approach shown is one of the first leading towards the shift of the window of biofabrication because it is based on a new material that does not need potentially harmful post-process crosslinking and allows the direct encapsulation of cells staying viable throughout the print process.
KW  - 3D-Druck
KW  - Elektrospinnen
KW  - 3D Bioprinting
KW  - Melt Electrowriting
KW  - Biofabrication
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173444
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kade, Juliane Carolin
T1  - Expanding the Processability of Polymers for a High-Resolution 3D Printing Technology
T1  - Erweiterung der Verarbeitbarkeit von Polymeren für eine hochauflösende 3D-Drucktechnologie
N2  - This thesis identifies how the printing conditions for a high-resolution additive manufacturing technique, melt electrowriting (MEW), needs to be adjusted to process electroactive polymers (EAPs) into microfibers. Using EAPs based on poly(vinylidene difluoride) (PVDF), their ability to be MEW-processed is studied and expands the list of processable materials for this technology.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wird melt electrowriting (MEW), eine hochauflösende additive Fertigungstechnik, zur Herstellung von Polymerfasern im unteren Mikrometerbereich eingesetzt. Neue Materialien, hauptsächlich elektroaktive Polymere (EAPs) auf Basis von Poly(vinylidendifluorid) (PVDF), werden hinsichtlich ihrer Druckbarkeit untersucht, um die Liste der prozessierbaren Materialien für diese Technologie zu erweitern.
KW  - Polymere
KW  - Melt electrowriting
KW  - Biofabrication
KW  - 3D-Druck
KW  - 3D Printing
KW  - Polymers
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-270057
ER  - 
TY  - THES
A1  - Link, Yasmin
T1  - 3D-Druck mikrofluidischer Systeme mittels Stereolithografie
T1  - 3D printing of microfluidic systems by stereolithography
N2  - Der 3D-Druck ist ein elementarer Bestandteil der Biofabrikation. Beispielsweise wird mittels Biotinten und einem geeigneten 3D-Druckverfahren Schicht für Schicht eine Geometrie aufgebaut. Durch die Gestaltung von mikrofluidischen Druckköpfen wird eine Möglichkeit geschaffen multiple Materialansätze im Druckkopf zu vermischen und so in einem bestimmten Mischungsverhältnis zu drucken. 

Mit dem DLP-SLA-Drucker Vida HD Crown and Bridge (EnvisionTEC) und dem Harz E-Shell 600 (EnvisionTEC) wurden zunächst die Auflösungsgrenzen des Druckers ermittelt sowie Komponenten für die Realisierung eines mikrofluidischen Druckkopfes prozessiert. 

Bei den Komponenten handelt es sich zum einen um Geometrien, die beispielsweise als Mischeinheit im Kanal dienen können und des Weiteren um senkrechte Kanäle die Biotinten führen können, sowie um Kanäle, die als Zuläufe für den Hauptkanal des mikrofluidischen Druckkopfs dienen können. 

Die Eigenschaften und die technische Realisierbarkeit der gedruckten Objekte wurden eruiert. 
Dabei wurden die jeweiligen Geometrien und Kanalöffnungen vermessen, große Aspektverhältnisse der Geometrien untersucht und die Durchgängigkeit der Kanäle geprüft. 

Zukünftig können die prozessierten Komponenten für einen mikrofluidischen Druckkopf variabel kombiniert werden und auf dieser Basis weiterführende Experimente stattfinden.
N2  - 3D printing is an essential part of biofabrication. For example, geometries are built up layer by layer using bio-inks and a suitable 3D printing process. New options are given by the fabrication of a microfluidic print head. The design of microfluidic print heads creates the possibility of mixing multiple materials inside the print head and thus start printing certain mixing ratios. 

The resolution limits of the DLP-SLA printer Vida HD Crown and Bridge (EnvisionTEC) using the resin E-Shell 600 (EnvisionTEC) were first determined and components for the layout of a microfluidic print head were processed.

The components are, on one hand, geometries that can serve as a mixing device inside the channel, and on the other hand, vertical channels that can carry bio-inks and channels that serve as inlets for the main channel of the microfluidic print head.

The properties of the printed objects were examined, the respective geometries and channel openings were measured, large aspect ratios of the geometries were examined and the consistency of the channels investigated.

In future, the processed components for a microfluidic print head can be combined variably and further experiments can take place on this basis.
KW  - 3D-Druck
KW  - Mikrofluidik
KW  - Biodruck
KW  - DLP-SLA
KW  - Druckbarkeit
KW  - Auflösung
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-211529
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ryma, Matthias
T1  - Exploiting the Thermoresponsive Properties of Poly(2-oxazoline)s for Biofabrication
T1  - Anwendung der Thermoresponsivität von Poly(2-oxazolin) für die Biofabrikation
N2  - In this thesis, non-modified POx, namely PnPrOx and PcycloPrOx, with an LCST in the physiological range between 20 and 37°C have been utilized as materials for three different biofabrication approaches. Their thermoresponsive behavior and processability were exploited to establish an easy-to-apply coating for cell sheet engineering, a novel method to create biomimetic scaffolds based on aligned fibrils via Melt Electrowriting (MEW) and the application of melt electrowritten sacrificial scaffolds for microchannel creation for hydrogels. 
Chapter 3 describes the establishment of a thermoresponsive coating for tissue culture plates. Here, PnPrOx was simply dissolved in water and dried in well plates and petri dishes in an oven. PnPrOx adsorbed to the surface, and the addition of warm media generated a cell culture compatible coating. It was shown that different cell types were able to attach and proliferate. After confluency, temperature reduction led to the detachment of cell sheets. Compared to standard procedures for surface coating, the thermoresponsive polymer is not bound covalently to the surface and therefore does not require specialized equipment and chemical knowledge. However, it should be noted that the detachment of the cell layer requires the dissolution of the PnPrOx-coating, leading to possible polymer contamination. Although it is only a small amount of polymer dissolved in the media, the detached cell sheets need to be washed by media exchange for further processing if required. ...
N2  - In dieser Dissertation wurden die unmodifizierten Poly(2-oxazoline) PnPrOx und PcycloProx, welche eine LCST im physiologischen Bereich zwischen 20 und 37°C aufweisen, für drei verschiedene Biofabrikationsansätze verwendet. Deren Thermoresponsivität und Prozessierbarkeit wurde genutzt, um ein simples Beschichten von Oberflächen für Cell Sheet Engineering, eine neue Methode zur Herstellung biomimetischer Gerüststrukturen basierend auf der Generierung von Fibrillenbündeln via Melt Electrowriting und die Anwendung als Opferstrukturen zur Generierung von Mikrokanälen in Hydrogelen zu etablieren.
KW  - Thermoresponsive Polymere
KW  - Dihydrooxazole
KW  - 3D-Druck
KW  - Melt Electrowriting
KW  - Biofabrikation
KW  - Poly(2-oxazoline)
KW  - Cell Sheet Engineering
KW  - Vaskularisation
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-247462
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schaufler, Christian Thomas Siegfried
T1  - Osteogenes Potential additiv gefertigter Calciummagnesiumphosphat-Keramiken
T1  - Osteogenic potential of calciummagnesiumphosphate ceramics processed by additive manufacturing
N2  - Der steigende Bedarf an Knochenersatzmaterialien (KEM) in Medizin und Zahnmedizin verdeutlicht die Notwendigkeit der Etablierung weiterer alloplastischer, also synthetisch hergestellter, KEMs. Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung patientenspezifischer Implantate. Hierfür wird auf Basis von 3D Bildgebung eines Knochendefekts, ein Implantat mittels CAD geplant und anschließend mittels additiver Fertigung, zum Beispiel durch 3D Pulverdruck hergestellt. 
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des osteogenen Potentials in vitro von Calciummagnesiumphosphatkeramiken mit der allgemeinen Strukturformel CaxMg(3-x)(PO4)2 mit x = 0; 0,25; 0,75; 1,5; 3 aus additiver Fertigung. Hierfür wurden Prüfkörper mittels 3D Pulverdruck gedruckt, anschließend durch Hochtemperatursinterung verfestigt und durch Behandlung mit reaktiven Lösungen nachgehärtet. Abhängig von der reaktiven Lösung wandelte sich die Keramik teilweise in Struvit, Bruschit und Newberyit um. Die biologische Testung in vitro erfolgte mit hFOB 1.19 Zellen und ergab eine gute Biokompatibilität sowie die Ausdifferenzierung osteogener Progenitorzellen für fast alle Keramikphasen, wobei die newberyithaltigen Keramiken tendenziell bessere Ergebnisse erzielten.
N2  - The increasing demand of materials for bone grafting in medicine and dentistry highlights the need of synthetically made, alloplastic, materials for bone grafting. Additive manufacturing enables the production of patient-fitted implants. For this purpose, the implant is virtually planed based on a 3D image dataset, using the CAD technique and produced by additive manufacturing like 3D powder printing.
The aim of this study was to investigate the osteogenic potential of calcium magnesium phosphate ceramics (CaxMg(3-x)(PO4)2 with x = 0; 0,25; 0,75; 1,5; 3) in vitro processed by 3D powder printing. 
Scaffolds were made by 3D powder printing, solidified by high temperature sintering and afterwards post treated with reactive solutions. The reactive solution caused the precipitation of either brushite, newberyite or struvite. The biological testing in vitro, using hFOB 1.19 cells, showed good cytocompatibility and differentiation of osteogenic cells for nearly all ceramics mentioned above. The ceramics containing newberyite achieved slightly better results at all.
KW  - Knochenzement
KW  - 3D-Druck
KW  - Tricalciumphosphatkeramik
KW  - Magnesiumphosphate
KW  - Struvit
KW  - Calciummagnesiumphosphat-Keramik
KW  - 3D Pulverdruck
KW  - Newberyit
KW  - Stanfieldit
KW  - Knochenersatzmaterial
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-311798
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäfer [geb. Stichler], Simone
T1  - Thiol-ene Cross-linked Poly(glycidol) / Hyaluronic Acid Based Hydrogels for 3D Bioprinting
T1  - Thilo-En vernetzte Hydrogele basierend auf Poly(glyzidolen) und Hyaluronsäure für das 3D-Biodrucken
N2  - The aim of the work was the development of thiol-ene cross-linked hydrogels based on functionalized poly(glycidol)s (PG) and hyaluronic acid (HA) for extrusion based 3D bioprinting. Additionally, the functionalization of the synthesized PG with peptides and the suitability of these polymers for physically cross-linked gels were investigated, in a proof of principle study in order to demonstrate the versatile use of PG polymers in hydrogel development.
First, the precursor polymers of the different hydrogel systems were synthesized. For thiol-ene cross-linked hydogels, linear allyl-functionalized PG (P(AGE-co-G)) and three different thiol-(SH-)functionalized polymers, ester-containing PG-SH (PG SHec), ester-free PG-SH (PG-SHef) and HA-SH were synthesized and analysed, The degree of functionalization of these polymers was adjustable. 
For physically cross-linked hydrogels, peptide-functionalized PG (P(peptide-co-G)),  was synthesized through polymer analogue thiol-ene modification of P(AGE-co-G).
Subsequently, thiol-ene cross-linked hydrogels were prepared with the synthesized thiol- and allyl-functionalized polymers. Depending on the origin of the used polymers, two different systems were obtained: on the one hand synthetic hydrogels consisting of PG-SHec/ef and P(AGE-co-G) and on the other hand hybrid gels, consisting of HA-SH and P(AGE-co-G). In synthetic gels, the degradability of the gels was determined by the applied PG-SH. The use of PG-SHec resulted in hydrolytically degradable hydrogels, whereas the cross-linking with PG-SHef resulted in non-degradable gels.
The physical properties of these different hydrogel systems were determined by swelling, mechanical and diffusion studies and subsequently compared among each other. In swelling studies the differences of degradable and non-degradable synthetic hydrogels as well as the differences of synthetic compared to hybrid hydrogels were demonstrated.
Next, the stiffness and the swelling ratios (SR) of the established hydrogel systems were examined in dependency of different parameters, such as incubation time, polymer concentration and UV irradiation. In general, these measurements revealed the same trends for synthetic and hybrid hydrogels: an increased polymer concentration as well as prolonged UV irradiation led to an increased network density. Moreover, it was demonstrated that the incorporation of additional non-bound HMW HA hampered the hydrogel cross-linking resulting in gels with decreased stiffness and increased SR. This effect was strongly dependent on the amount of additional HMW HA.

The diffusion of different molecular weight fluorescein isothiocyanate-dextran (FITC-dextran) through hybrid hydrogels (with/without HMW HA) gave information about the mesh size of these gels. The smallest FITC-dextran (4 kDa) completely diffused through both hydrogel systems within the first week, whereas only 55 % of 40 kDa and 5-10 % HMW FITC-dextrans (500 kDa and 2 MDa) could diffuse through the networks.
The applicability of synthetic and hybrid hydrogels for cartilage regeneration purpose was investigated through by biological examinations. It was proven that both gels support the survival of embedded human mesenchymal stromal cells (hMSCs) (21/28 d in vitro culture), however, the chondrogenic differentiation was significantly improved in hybrid hydrogels compared to synthetic gels. The addition of non-bound HMW HA resulted in a slightly less distinct chondrogenesis.
Lastly the printability of the established hydrogel systems was examined. Therefore, the viscoelastic properties of the hydrogel solutions were adjusted by incorporation of non-bound HMW HA. Both systems could be successfully printed with high resolution and high shape fidelity. 
The introduction of the double printing approach with reinforcing PCL allowed printing of hydrogel solutions with lower viscosities. As a consequence, the amount of additional HMW HA necessary for printing could be reduced allowing successful printing of hybrid hydrogel solutions with embedded cells. It was demonstrated that the integrated cells survived the printing process with high viability measured after 21 d. Moreover, by this reinforcing technique, robust hydrogel-containing constructs were fabricated.
In addition to thiol-ene cross-linked hydrogels, hydrogel cross-linking via ionic interactions was investigated with a hybrid hydrogel based on HMW HA and peptide-functionalized PG. Rheological measurements revealed an increase in the viscosity of a 2 wt.% HMW HA solution by the addition of peptide-functionalized PG. The increase in viscosity could be attributed to the ionic interactions between the positively charge PG and the negatively charge HMW HA. 
In conclusion, throughout this thesis thiol-ene chemistry and PG were introduced as promising cross-linking reaction and polymer precursor for the field of biofabrication. Furthermore, the differences of hybrid and synthetic hydrogels as well as chemically and physically cross-linked hydrogels were demonstrated.
Moreover, the double printing approach was demonstrated to be a promising tool for the fabrication of robust hydrogel-containing constructs. It opens the possibility of printing hydrogels that were not printable yet, due to too low viscosities.
N2  - Ziel der Arbeit war die Entwicklung von Thiol-En-vernetzten Hydrogelen basierend auf funktionalisierten Poly(glyzidolen) (PG) und Hyaluronsäure (HA) für das extrusionsbasierte 3D-Biodrucken. Um die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von PG-Polymeren für die Hydrogelentwicklung zu zeigen, wurde darüber hinaus, in einer Proof-of-Principle-Studie, PG mit Peptiden funktionalisiert und die Eignung dieser Polymere für die Herstellung von physikalisch vernetzten Gelen untersucht.
Zunächst wurden die Vorläuferpolymere für die verschiedenen Hydrogelsysteme synthetisiert. Für die Thiol-En-vernetzten Hydrogele wurde lineares Allyl-funktionalisiertes PG (P(AGE-co-G)) und drei verschiedene Thiol-(SH )funktionalisierte Polymere, Ester haltiges PG-SH (PG-SHec), Ester freies PG SH (PG-SHef) und HA-SH synthetisiert und analysiert. Dabei war der Funktionalisierungsgrad dieser Polymere einstellbar. 
Für physikalisch vernetzte Hydrogele wurde Peptid-funktionalisierte PGs (P(Peptid co-G)) mittels polymeranaloger Thiol-En-Modifikation von P(AGE-co-G) synthetisiert. 
Anschließend wurden Thiol-En-vernetzte Hydrogele auf Basis der synthetisierten Thiol- und Allyl-funktionalisierten Polymeren hergestellt. Je nach Ursprung der verwendeten Polymere wurden zwei verschiedene Systeme erhalten: einerseits synthetische Hydrogele bestehend aus PG-SHec/ef und P(AGE-co-G) und andererseits hybride Gele, bestehend aus HA-SH und P(AGE-co-G). Bei den synthetischen Gelen wurde die Abbaubarkeit der Gele durch das verwendete PG-SH bestimmt. Die Verwendung von PG-SHec resultierte in hydrolytisch abbaubaren Hydrogelen, während die Vernetzung mit PG-SHef zu nicht abbaubaren Gelen führte. 
Die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Hydrogelsysteme wurden mittels Quell-, mechanischen und Diffusionsexperimenten bestimmt und anschließend miteinander verglichen. Die Quellungsstudien zeigten die Unterschiede von abbaubaren und nicht abbaubaren synthetischen Hydrogelen, sowie die Unterschiede von synthetischen gegenüber hybriden Hydrogelen. 
Als nächstes wurden die Steifigkeit und das Quellverhältnis (SR) der etablierten Hydrogelsysteme in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie Inkubationszeit, Polymerkonzentration und UV-Bestrahlung untersucht. Im Allgemeinen zeigten diese Messungen für synthetische und hybride Hydrogele die gleichen Trends: eine erhöhte Polymerkonzentration sowie eine verlängerte UV-Bestrahlung führten zu einer erhöhten Netzwerkdichte. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass das Einbringen zusätzlicher, nicht gebundener HMW HA die Hydrogelvernetzung behinderte, was zu Gelen mit verringerter Steifigkeit und erhöhtem SR führte. Dieser Effekt war stark abhängig von der Menge an zusätzlich eingebrachter HMW HA.

Die Diffusion von Fluorescein-Isothiocyanat-Dextran (FITC-Dextran) mit unterschiedlichem Molekulargewichten durch hybride Hydrogele (mit/ohne HMW HA) lieferte Informationen über die Maschengröße dieser Gele. Das kleinste FITC-Dextran (4 kDa) diffundierte innerhalb der ersten Woche vollständig durch beide Hydrogelsysteme, während nur 55 % der 40 kDa und 5-10 % HMW FITC-Dextrane (500 kDa und 2 MDa) durch die Netzwerke diffundieren konnten.
Die Anwendbarkeit von synthetischen und hybriden Hydrogelen für Knorpelregenerationszwecke wurde durch biologische Experimente untersucht. Es wurde bewiesen, dass beide Gele das Überleben von eingebetteten humanen mesenchymalen Stromazellen (hMSCs) unterstützen (21/28 d in vitro Kultur), jedoch war die chondrogene Differenzierung in hybriden Hydrogelen im Vergleich zu synthetischen Gelen signifikant verbessert. Die Zugabe von nicht gebundenem HMW HA führte zu einer etwas weniger ausgeprägten Chondrogenese.
Zuletzt wurde die Druckbarkeit der etablierten Hydrogelsysteme untersucht. Dafür wurden die viskoelastischen Eigenschaften der Hydrogellösungen durch das Einbringen von nicht gebundener HMW HA eingestellt. Beide Systeme konnten erfolgreich mit hoher Auflösung und hoher Formgenauigkeit gedruckt werden. 
Die Einführung des Doppeldruck-Konzeptes mit verstärkendem PCL ermöglichte das Drucken von Hydrogellösungen mit niedrigeren Viskositäten. Infolgedessen konnte die für den Druck notwendige Menge an HMW HA reduziert und hybride Hydrogellösungen mit eingebetteten Zellen erfolgreich gedruckt werden. Es wurde gezeigt, dass die integrierten Zellen den Druckprozess mit hoher Vitalität überlebten (gemessen nach 21 d). Darüber hinaus wurden mit dieser Verstärkungstechnik robuste Hydrogel-enthaltende Konstrukte hergestellt.
Zusätzlich zu den Thiol-En-vernetzten Hydrogelen wurde die Hydrogelvernetzung mittels elektrostatischen Wechselwirkungen mit einem hybriden Gel auf der Basis von HMW HA und Peptid-funktionalisiertem PG untersucht. Rheologische Messungen ergaben eine Erhöhung der Viskosität einer 2 wt.% HMW HA Lösungen durch die Zugabe von Peptid-funktionalisiertem PG. Der Viskositätsanstieg konnte auf die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen dem positiv geladenen PG und der negativ geladenen HMW HA zurückgeführt werden. 
Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Thiol-En-Chemie und PG als vielversprechende Vernetzungsreaktion bzw. Polymervorstufe für die Biofabrikation eingeführt. Des Weiteren wurden die Unterschiede von hybriden und synthetischen Hydrogelen sowie von chemisch und physikalisch vernetzten Hydrogelen aufgezeigt.
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass das Doppeldruck-Konzept eine vielversprechende Methode für die Herstellung von robusten Hydrogel-enthaltenden Konstrukten ist. Es eröffnet die Möglichkeit, Hydrogele zu drucken, die aufgrund zu geringer Viskositäten bis jetzt nicht druckbar waren.
KW  - Hyaluronsäure
KW  - thiol-ene
KW  - Hyaluronic Acid
KW  - poly(glycidol)
KW  - hydrogels
KW  - Hydrogel
KW  - Glycidol
KW  - 3D-Druck
KW  - 3D printing
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-174713
ER  -