TY - THES A1 - Hochleitner, Gernot T1 - Advancing melt electrospinning writing for fabrication of biomimetic structures T1 - Entwicklung des Melt Electrospinning Writing zur Erzeugung biomimetischer Strukturen N2 - In order to mimic the extracellular matrix for tissue engineering, recent research approaches often involve 3D printing or electrospinning of fibres to scaffolds as cell carrier material. Within this thesis, a micron fibre printing process, called melt electrospinning writing (MEW), combining both additive manufacturing and electrospinning, has been investigated and improved. Thus, a unique device was developed for accurate process control and manufacturing of high quality constructs. Thereby, different studies could be conducted in order to understand the electrohydrodynamic printing behaviour of different medically relevant thermoplastics as well as to characterise the influence of MEW on the resulting scaffold performance. For reproducible scaffold printing, a commonly occurring processing instability was investigated and defined as pulsing, or in extreme cases as long beading. Here, processing analysis could be performed with the aim to overcome those instabilities and prevent the resulting manufacturing issues. Two different biocompatible polymers were utilised for this study: poly(ε-caprolactone) (PCL) as the only material available for MEW until then and poly(2-ethyl-2-oxazoline) for the first time. A hypothesis including the dependency of pulsing regarding involved mass flows regulated by the feeding pressure and the electrical field strength could be presented. Further, a guide via fibre diameter quantification was established to assess and accomplish high quality printing of scaffolds for subsequent research tasks. By following a combined approach including small sized spinnerets, small flow rates and high field strengths, PCL fibres with submicron-sized fibre diameters (fØ = 817 ± 165 nm) were deposited to defined scaffolds. The resulting material characteristics could be investigated regarding molecular orientation and morphological aspects. Thereby, an alignment and isotropic crystallinity was observed that can be attributed to the distinct acceleration of the solidifying jet in the electrical field and by the collector uptake. Resulting submicron fibres formed accurate but mechanically sensitive structures requiring further preparation for a suitable use in cell biology. To overcome this handling issue, a coating procedure, by using hydrophilic and cross-linkable star-shaped molecules for preparing fibre adhesive but cell repellent collector surfaces, was used. Printing PCL fibre patterns below the critical translation speed (CTS) revealed the opportunity to manufacture sinusoidal shaped fibres analogously to those observed using purely viscous fluids falling on a moving belt. No significant influence of the high voltage field during MEW processing could be observed on the buckling phenomenon. A study on the sinusoidal geometry revealed increasing peak-to-peak values and decreasing wavelengths as a function of decreasing collector speeds sc between CTS > sc ≥ 2/3 CTS independent of feeding pressures. Resulting scaffolds printed at 100 %, 90 %, 80 % and 70 % of CTS exhibited significantly different tensile properties, foremost regarding Young’s moduli (E = 42 ± 7 MPa to 173 ± 22 MPa at 1 – 3 % strain). As known from literature, a changed morphology and mechanical environment can impact cell performance substantially leading to a new opportunity of tailoring TE scaffolds. Further, poly(L-lactide-co-ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) as well as poly(ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) (PCLAC) copolymers could be used for MEW printing. Those exhibit the opportunity for UV-initiated radical cross-linking in a post-processing step leading to significantly increased mechanical characteristics. Here, single fibres of the polymer composed of 90 mol.% CL and 10 mol.% AC showed a considerable maximum tensile strength of σmax = 53 ± 16 MPa. Furthermore, sinusoidal meanders made of PCLAC yielded a specific tensile stress-strain characteristic mimicking the qualitative behaviour of tendons or ligaments. Cell viability by L929 murine fibroblasts and live/dead staining with human mesenchymal stem cells revealed a promising biomaterial behaviour pointing out MEW printed PCLAC scaffolds as promising choice for medical repair of load-bearing soft tissue. Indeed, one apparent drawback, the small throughput similar to other AM methods, may still prevent MEW’s industrial application yet. However, ongoing research focusses on enlargement of manufacturing speed with the clear perspective of relevant improvement. Thereby, the utilisation of large spinneret sizes may enable printing of high volume rates, while downsizing the resulting fibre diameter via electrical field and mechanical stretching by the collector uptake. Using this approach, limitations of FDM by small nozzle sizes could be overcome. Thinking visionary, such printing devices could be placed in hospitals for patient-specific printing-on-demand therapies one day. Taking the evolved high deposition precision combined with the unique small fibre diameter sizes into account, technical processing of high performance membranes, filters or functional surface finishes also stands to reason. N2 - Um biomimetische extrazelluläre Matrices für das Tissue Engineering herzustellen, bedienen sich aktuelle Forschungsansätze oftmals der Produktion von Faser-Konstrukten durch additive Fertigung oder Elektrospinn-Verfahren. Das sogenannte Melt Electrospinning Writing (MEW) kombiniert Vorteile beider Techniken und weist dadurch ein hohes Applikationspotential auf. Daher bestand das Ziel der vorliegenden Arbeit in der Weiterentwicklung und Erforschung des MEW. Für diesen Zweck wurde eine neuartige Forschungsanlage konzipiert und gebaut, welche mit einzigartiger Verfahrenspräzision und Prozesskontrolle die Fertigung von hochqualitativen Konstrukten ermöglichte. Auf Basis dessen konnten die durchgeführten Studien das Verständnis des elektrohydrodynamischen Druckvorgangs und der untersuchten Prozessparameter vertiefen und letztendlich zur Ausweitung des Verfahrens auf neue medizinisch relevante Thermoplaste beitragen. Um eine reproduzierbare Herstellung von Scaffolds zu ermöglichen, wurde eine häufig auftretende Prozessinstabilität erforscht und als pulsing, oder in stark ausgeprägten Fällen als long beading, klassifiziert. Durch Prozessanalyse konnte zudem eine Methode zur Vermeidung dieser Instabilität entwickelt werden. Dafür wurden zwei unterschiedliche biokompatible Polymere verwendet: Poly(ε-Caprolacton) (PCL) als bis dahin einziger verfügbarer MEW Werkstoff, sowie erstmalig Poly(2-Ethyl-2-Oxazolin). Die aufgestellte Hypothese umfasst eine universelle Abhängigkeit der pulsing Instabilität zu involvierten Massenströmen, welche durch Anpassung des angelegten Prozessdruckes und der elektrischen Feldstärke reguliert werden kann. Um ein optimales Prozessergebnis für nachfolgende Forschungsarbeiten zu erzielen, wurde zusätzlich ein Leitfaden zur quantitativen Bewertung des Grades der Instabilität bereitgestellt. Durch Kombination kleiner Spinndüsen, kleiner Schmelze-Flussraten und hoher elektrischen Feldstärken, konnten erstmalig PCL Fasern mit sub-mikron Durchmessern (fØ = 817 ± 165 nm) zu präzisen Scaffolds verarbeitet werden. Diese wurden anschließend durch materialwissenschaftliche Analytik charakterisiert. Dabei wurde eine molekulare Vorzugsorientierung und isotrope Kristallausrichtung entlang der Faser beobachtet, welche durch den hohen Verstreckungsgrad des erstarrenden Polymerstrahls erklärt werden konnte. Resultierende sub-mikron Fasern konnten zwar für einen akkuraten Druckvorgang verwendet werden, jedoch erwiesen sich die Strukturen als instabil und daher nicht geeignet für die Handhabung bei Zellkulturstudien. Aus diesem Grund wurde ein Beschichtungsansatz mittels hydrophilen und vernetzbaren Sternmolekülen für Substratflächen herangezogen. Während solche modifizierten Oberflächen bekanntermaßen Zelladhäsion verhindern, konnten gedruckte sub-mikron Scaffolds auf der Oberfläche haften und so für biologische Studien verwendet werden. Durch das gezielte Ablegen von Fasern unterhalb der kritischen Translationsgeschwindigkeit (CTS) des Kollektors, konnten sinusförmige Faserstrukturen erzeugt werden. Analog zu rein viskosen Fluiden, welche durch ein bewegliches Band aufgesammelt werden, schien dieser Vorgang dem sogenannten buckling zu unterliegen und daher phänomenologisch nicht oder nur geringfügig vom elektrischen Feld abhängig zu sein. Zudem konnte eine durchgeführte Studie die direkte Abhängigkeit der Fasergeometrie mit der Kollektorbewegung belegen. Unabhängig vom Prozessdruck, führte eine verminderte Kollektorgeschwindigkeit sc in den Grenzen CTS > sc ≥ 2/3 CTS zu erhöhten Amplituden bzw. Spitze-zu-Spitze Werten und verkürzten Wellenlängen. Durch das kontrollierte Ablegen der Fasern bei Geschwindigkeiten von 100 %, 90 % 80 % und 70 % CTS konnten zudem Scaffolds mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Speziell der Zugmodul wurde dadurch etwa um eine halbe Größenordnung moduliert (Es = 42 ± 7 MPa bis 173 ± 22 MPa bei 1 – 3 % Dehnung). Dies ist in Kombination mit der Strukturierung für maßgeschneiderte TE Scaffolds von großem Interesse, da zelluläre Systeme sensibel auf ihre Umgebung reagieren können. Des Weiteren wurden Poly(L-Lactid-co-ε-Caprolacton-co-Acryloylcarbonat) und Poly(ε-Caprolacton-co-Acryloylcarbonat) (PCLAC) Copolymere hinsichtlich deren MEW Verarbeitbarkeit untersucht. Solche Kunststoffe können nach dem Druckvorgang mit UV-Strahlung radikalisch vernetzt werden und dadurch deutlich erhöhte mechanische Eigenschaften ausbilden. Für Fasern aus 90 mol.% CL und 10 mol.% AC wurden beispielsweise maximale Zugfestigkeiten von σmax = 53 ± 16 MPa ermittelt. MEW gedruckte sinusförmige Faserstrukturen aus PCLAC wiesen darüber hinaus ein biomimetisches Spannungs-Dehnung-Verhalten auf, vergleichbar zu Sehnen- und Ligamentgewebe. Eine Untersuchung der Zellviabilität von L929 murinen Fibroblasten im Eluattest, sowie eine lebend/tot-Färbung von humanen mesenchymalen Stammzellen auf den Scaffolds, ergab vielversprechende Resultate und damit ein relevantes Anwendungspotential solcher Strukturen als Implantat. Neben genannten Vorteilen, weist MEW als Verfahren bislang allerdings geringe Produktionsgeschwindigkeiten auf. Diese sind daher in den Fokus aktueller Forschungsvorhaben gerückt. Einen Ansatz hierfür bieten Spinndüsen mit hohem Innendurchmesser und erhöhter Austragsrate, wobei die optimierte elektrische Feldstärke, sowie ein Verstrecken durch die Kollektorbewegung, zu den erwünschten dünnen Fasern führen können. Dadurch kann die abwärtslimitierte Düsengröße des FDM Verfahrens überwunden werden. Visionär gedacht, könnte eine solche Anlage direkt in Krankenhäusern zur Fertigung von patienten- und defektspezifischen Implantaten eingesetzt werden. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Präzision, zusammen mit dem Drucken von Mikro-Fasern, einen technischen Einsatz zur Herstellung von Membranen, Filtern oder funktionalen Oberflächenbeschichtungen. KW - scaffold KW - polymer KW - 3D printing KW - additive manufacturing KW - melt electrospinning KW - melt electrowriting KW - tissue engineering KW - polymer processing Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162197 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 - TY - JOUR A1 - Hochleitner, Gernot A1 - Jüngst, Tomasz A1 - Brown, Toby D A1 - Hahn, Kathrin A1 - Moseke, Claus A1 - Jakob, Franz A1 - Dalton, Paul D A1 - Groll, Jürgen T1 - Additive manufacturing of scaffolds with sub-micron filaments via melt electrospinning writing JF - Biofabrication N2 - 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. KW - additive manufacturing KW - 3D printing KW - biodegradable polymers KW - microstructures KW - nanostructures Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-254053 VL - 7 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Liashenko, Ievgenii A1 - Hrynevich, Andrei A1 - Dalton, Paul D. T1 - Designing Outside the Box: Unlocking the Geometric Freedom of Melt Electrowriting using Microscale Layer Shifting JF - Advanced Materials N2 - Melt electrowriting, a high‐resolution additive manufacturing technology, has so far been developed with vertical stacking of fiber layers, with a printing trajectory that is constant for each layer. In this work, microscale layer shifting is introduced through deliberately offsetting the printing trajectory for each printed layer. Inaccuracies during the printing of sinusoidal walls are corrected via layer shifting, resulting in accurate control of their geometry and mechanical properties. Furthermore, more substantial layer shifting allows stacking of fiber layers in a horizontal manner, overcoming the electrostatic autofocusing effect that favors vertical layer stacking. Novel nonlinear geometries, such as overhangs, wall texturing and branching, and smooth and abrupt changes in printing trajectory are presented, demonstrating the flexibility of the layer shifting approach beyond the state‐of‐the‐art. The practice of microscale layer shifting for melt electrowriting enables more complex geometries that promise to have a profound impact on the development of products in a broad range of applications. KW - 3D printing KW - additive manufacturing KW - biomaterials KW - electrohydrodynamics KW - melt electrospinning writing Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-217974 VL - 32 IS - 28 ER - TY - JOUR A1 - Mechau, Jannik A1 - Frank, Andreas A1 - Bakirci, Ezgi A1 - Gumbel, Simon A1 - Jungst, Tomasz A1 - Giesa, Reiner A1 - Groll, Jürgen A1 - Dalton, Paul D. A1 - Schmidt, Hans‐Werner T1 - Hydrophilic (AB)\(_{n}\) Segmented Copolymers for Melt Extrusion‐Based Additive Manufacturing JF - Macromolecular Chemistry and Physics N2 - 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. KW - 3D printing KW - (AB)\(_{n}\) segmented copolymers KW - biocompatibility KW - melt electrowriting Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-224513 VL - 222 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Mieszczanek, Pawel A1 - Robinson, Thomas M. A1 - Dalton, Paul D. A1 - Hutmacher, Dietmar W. T1 - Convergence of Machine Vision and Melt Electrowriting JF - Advanced Materials N2 - Melt electrowriting (MEW) is a high-resolution additive manufacturing technology that balances multiple parametric variables to arrive at a stable fabrication process. The better understanding of this balance is underscored here using high-resolution camera vision of jet stability profiles in different electrical fields. Complementing this visual information are fiber-diameter measurements obtained at precise points, allowing the correlation to electrified jet properties. Two process signatures—the jet angle and for the first time, the Taylor cone area—are monitored and analyzed with a machine vision system, while SEM imaging for diameter measurement correlates real-time information. This information, in turn, allows the detection and correction of fiber pulsing for accurate jet placement on the collector, and the in-process assessment of the fiber diameter. Improved process control is used to successfully fabricate collapsible MEW tubes; structures that require exceptional accuracy and printing stability. Using a precise winding angle of 60° and 300 layers, the resulting 12 mm-thick tubular structures have elastic snap-through instabilities associated with mechanical metamaterials. This study provides a detailed analysis of the fiber pulsing occurrence in MEW and highlights the importance of real-time monitoring of the Taylor cone volume to better understand, control, and predict printing instabilities. KW - polycaprolactone KW - 3D printing KW - digitization KW - electrohydrodynamic KW - melt electrospinning writing Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256365 VL - 33 IS - 29 ER - TY - JOUR A1 - Robinson, Thomas M. A1 - Hutmacher, Dietmar W. A1 - Dalton, Paul D. T1 - The next frontier in melt electrospinning: taming the jet JF - Advanced Functional Materials N2 - There is a specialized niche for the electrohydrodynamic jetting of melts, from biomedical products to filtration and soft matter applications. The next frontier includes optics, microfluidics, flexible electronic devices, and soft network composites in biomaterial science and soft robotics. The recent emphasis on reproducibly direct‐writing continual molten jets has enabled a spectrum of contemporary microscale 3D objects to be fabricated. One strong suit of melt processing is the capacity for the jet to solidify rapidly into a fiber, thus fixing a particular structure into position. The ability to direct‐write complex and multiscaled architectures and structures has greatly contributed to a large number of recent studies, explicitly, toward fiber–hydrogel composites and fugitive inks, and has expanded into several biomedical applications such as cartilage, skin, periosteum, and cardiovascular tissue engineering. Following the footsteps of a publication that summarized melt electrowriting literature up to 2015, the most recent literature from then until now is reviewed to provide a continuous and comprehensive timeline that demonstrates the latest advances as well as new perspectives for this emerging technology. KW - 3D printing KW - additive manufacturing KW - eletrhydrodynamic KW - melt electrospinning writing Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204819 VL - 29 ER - TY - JOUR A1 - Wang, Shuang A1 - Sarwat, Mariah A1 - Wang, Peng A1 - Surrao, Denver C. A1 - Harkin, Damien G. A1 - St John, James A. A1 - Bolle, Eleonore C. L. A1 - Forget, Aurelien A1 - Dalton, Paul D. A1 - Dargaville, Tim R. T1 - Hydrogels with Cell Adhesion Peptide‐Decorated Channel Walls for Cell Guidance JF - Macromolecular Rapid Communications N2 - A method is reported for making hollow channels within hydrogels decorated with cell‐adhesion peptides exclusively at the channel surface. Sacrificial fibers of different diameters are used to introduce channels within poly(ethylene glycol) hydrogels crosslinked with maleimide‐thiol chemistry, which are backfilled with a cysteine‐containing peptide solution which is conjugated to the lumen with good spatial efficiency. This allows for peptide patterning in only the areas of the hydrogel where they are needed when used as cell‐guides, reducing the amount of required peptide 20‐fold when compared to bulk functionalization. The power of this approach is highlighted by successfully using these patterned hydrogels without active perfusion to guide fibroblasts and olfactory ensheathing cells—the latter having unique potential in neural repair therapies. KW - 3D printing KW - cell guidance KW - cell transplantation KW - melt electrowriting KW - synthetic hydrogels Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218031 VL - 41 IS - 15 ER - TY - JOUR A1 - Böhm, Christoph A1 - Tandon, Biranche A1 - Hrynevich, Andrei A1 - Teßmar, Jörg A1 - Dalton, Paul D. T1 - Processing of Poly(lactic–co–glycolic acid) Microfibers via Melt Electrowriting JF - Macromolecular Chemistry and Physics N2 - Polymers sensitive to thermal degradation include poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), which is not yet processed via melt electrowriting (MEW). After an initial period of instability where mean fiber diameters increase from 20.56 to 27.37 µm in 3.5 h, processing stabilizes through to 24 h. The jet speed, determined using critical translation speed measurements, also reduces slightly in this 3.5 h period from 500 to 433 mm min\(^{−1}\) but generally remains constant. Acetyl triethyl citrate (ATEC) as an additive decreases the glass transition temperature of PLGA from 49 to 4 °C, and the printed ATEC/PLGA fibers exhibits elastomeric behavior upon handling. Fiber bundles tested in cyclic mechanical testing display increased elasticity with increasing ATEC concentration. The processing temperature of PLGA also reduces from 165 to 143 °C with increase in ATEC concentration. This initial window of unstable direct writing seen with neat PLGA can also be impacted through the addition of 10-wt% ATEC, producing fiber diameters of 14.13 ± 1.69 µm for the first 3.5 h of heating. The investigation shows that the initial changes to the PLGA direct-writing outcomes seen in the first 3.5 h are temporary and that longer times result in a more stable MEW process. KW - poly(lactide-co-glycolide) KW - 3D printing KW - additive manufacturing KW - electrohydrodynamics KW - melt electrospinning writing KW - plasticizers Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-318444 VL - 223 IS - 5 ER - TY - JOUR A1 - Böhm, Christoph A1 - Stahlhut, Philipp A1 - Weichhold, Jan A1 - Hrynevich, Andrei A1 - Teßmar, Jörg A1 - Dalton, Paul D. T1 - The Multiweek Thermal Stability of Medical-Grade Poly(ε-caprolactone) During Melt Electrowriting JF - Small N2 - Melt electrowriting (MEW) is a high-resolution additive manufacturing technology that places unique constraints on the processing of thermally degradable polymers. With a single nozzle, MEW operates at low throughput and in this study, medical-grade poly(ε-caprolactone) (PCL) is heated for 25 d at three different temperatures (75, 85, and 95 °C), collecting daily samples. There is an initial increase in the fiber diameter and decrease in the jet speed over the first 5 d, then the MEW process remains stable for the 75 and 85 °C groups. When the collector speed is fixed to a value at least 10% above the jet speed, the diameter remains constant for 25 d at 75 °C and only increases with time for 85 and 95 °C. Fiber fusion at increased layer height is observed for 85 and 95 °C, while the surface morphology of single fibers remain similar for all temperatures. The properties of the prints are assessed with no observable changes in the degree of crystallinity or the Young's modulus, while the yield strength decreases in later phases only for 95 °C. After the initial 5-d period, the MEW processing of PCL at 75 °C is extraordinarily stable with overall fiber diameters averaging 13.5 ± 1.0 µm over the entire 25-d period. KW - polycaprolactone KW - 3D printing KW - additive manufacturing KW - electrohydrodynamic KW - melt electrospinning writing Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257741 VL - 18 IS - 3 ER -