TY - JOUR A1 - Geffers, Martha A1 - Groll, Jürgen A1 - Gbureck, Uwe T1 - Reinforcement strategies for load-bearing calcium phosphate biocements JF - Materials N2 - Calcium phosphate biocements based on calcium phosphate chemistry are well-established biomaterials for the repair of non-load bearing bone defects due to the brittle nature and low flexural strength of such cements. This article features reinforcement strategies of biocements based on various intrinsic or extrinsic material modifications to improve their strength and toughness. Altering particle size distribution in conjunction with using liquefiers reduces the amount of cement liquid necessary for cement paste preparation. This in turn decreases cement porosity and increases the mechanical performance, but does not change the brittle nature of the cements. The use of fibers may lead to a reinforcement of the matrix with a toughness increase of up to two orders of magnitude, but restricts at the same time cement injection for minimal invasive application techniques. A novel promising approach is the concept of dual-setting cements, in which a second hydrogel phase is simultaneously formed during setting, leading to more ductile cement-hydrogel composites with largely unaffected application properties. KW - in vitro KW - synergistic reinforcement KW - dihydrate cement KW - porosity KW - mechanical properties KW - dual setting KW - calcium phosphate cements KW - fiber reinforcement KW - polyacrylic acid KW - compressive strength KW - balloon kyphoplasty KW - brushite cement KW - bone cement Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-148636 VL - 8 ER - TY - JOUR A1 - Weigand, Annika A1 - Boos, Anja M. A1 - Tasbihi, Kereshmeh A1 - Beier, Justus P. A1 - Dalton, Paul D. A1 - Schrauder, Michael A1 - Horch, Raymund E. A1 - Beckmann, Matthias W. A1 - Strissel, Pamela L. A1 - Strick, Reiner T1 - Selective isolation and characterization of primary cells from normal breast and tumors reveal plasticity of adipose derived stem cells JF - Breast Cancer Research N2 - Background There is a need to establish more cell lines from breast tumors in contrast to immortalized cell lines from metastatic effusions in order to represent the primary tumor and not principally metastatic biology of breast cancer. This investigation describes the simultaneous isolation, characterization, growth and function of primary mammary epithelial cells (MEC), mesenchymal cells (MES) and adipose derived stem cells (ADSC) from four normal breasts, one inflammatory and one triple-negative ductal breast tumors. Methods A total of 17 cell lines were established and gene expression was analyzed for MEC and MES (n = 42) and ADSC (n = 48) and MUC1, pan-KRT, CD90 and GATA-3 by immunofluorescence. DNA fingerprinting to track cell line identity was performed between original primary tissues and isolates. Functional studies included ADSC differentiation, tumor MES and MEC invasion co-cultured with ADSC-conditioned media (CM) and MES adhesion and growth on 3D-printed scaffolds. Results Comparative analysis showed higher gene expression of EPCAM, CD49f, CDH1 and KRTs for normal MEC lines; MES lines e.g. Vimentin, CD10, ACTA2 and MMP9; and ADSC lines e.g. CD105, CD90, CDH2 and CDH11. Compared to the mean of all four normal breast cell lines, both breast tumor cell lines demonstrated significantly lower ADSC marker gene expression, but higher expression of mesenchymal and invasion gene markers like SNAI1 and MMP2. When compared with four normal ADSC differentiated lineages, both tumor ADSC showed impaired osteogenic and chondrogenic but enhanced adipogenic differentiation and endothelial-like structures, possibly due to high PDGFRB and CD34. Addressing a functional role for overproduction of adipocytes, we initiated 3D-invasion studies including different cell types from the same patient. CM from ADSC differentiating into adipocytes induced tumor MEC 3D-invasion via EMT and amoeboid phenotypes. Normal MES breast cells adhered and proliferated on 3D-printed scaffolds containing 20 fibers, but not on 2.5D-printed scaffolds with single fiber layers, important for tissue engineering. Conclusion Expression analyses confirmed successful simultaneous cell isolations of three different phenotypes from normal and tumor primary breast tissues. Our cell culture studies support that breast-tumor environment differentially regulates tumor ADSC plasticity as well as cell invasion and demonstrates applications for regenerative medicine. KW - Normal breast KW - Breast cancer KW - Stem cells plasticity KW - Primary cell lines KW - Tissue engineering Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-164759 VL - 18 IS - 32 ER - TY - THES A1 - Liebscher [geb. Blöhbaum], Julia T1 - Side chain functional poly(2-oxazoline)s for biomedical applications T1 - Seitenkettenfunktionalisierte Poly(2-oxazoline) für biomedizinische Anwendungen N2 - The aim of the thesis was to develop water soluble poly(2-oxazoline) (POx) copolymers with new side group functionalities, which can be used for the formation of hydrogels in biomedical applications and for the development of peptide-polymer conjugates. First, random copolymers of the monomer MeOx or EtOx with ButEnOx and EtOx with DecEnOx were synthesized and characterized. The vinyl functionality brought into the copolymer by the monomers ButEnOx and DecEnOx would later serve for post-polymerization functionalization. The synthesized copolymers were further functionalized with thiols via post-polymerization functionalization using a newly developed synthesis protocol or with a protected catechol molecule for hydrogel formation. For the formation of peptide-polymer conjugates, a cyclic thioester, namely thiolactone acrylamide and an azlactone precursor, whose synthesis was newly developed, were attached to the side chain of P(EtOx-co-ButEnOx) copolymers. The application of the functionalized thiol copolymers as hydrogels using thiol-ene chemistry for cross-linking was demonstrated. The swelling behavior and mechanical properties were characterized. The hydrophilicity of the network as well as the cross-linking density strongly influenced the swelling behavior and the mechanical strength of the hydrogels. All hydrogels showed good cell viability results. The hydrogel networks based on MeOx and EtOx were loaded with two dyes, fluorescein and methylene blue. It was observed that the uptake of the more hydrophilic dye fluorescein depended more on the ability of the hydrogel to swell. In contrast, the uptake of the more hydrophobic dye methylene blue was less dependent on the swelling degree, but much more on the hydrophilicity of the network. For the potential application as cartilage glue, (biohybrid) hydrogels were synthesized based on the catechol-functionalized copolymers, with and without additional fibrinogen, using sodium periodate as the oxidizing agent. The system allowed for degradation due to the incorporated ester linkages at the cross-linking points. The swelling behavior as well as the mechanical properties were characterized. As expected, hydrogels with higher degrees of cross-linking showed less swelling and higher elastic modulus. The addition of fibrinogen however increased the elasticity of the network, which can be favorable for the intended application as a cartilage glue. Biological evaluation clearly demonstrated the advantage of degradable ester links in the hydrogel network, where chondrocytes were able to bridge the artificial gap in contrast to hydrogels without any ester motifs. Lastly, different ways to form peptide-polymer conjugates were presented. Peptides were attached with the thiol of the terminal cysteine group to the vinyl side chain of P(EtOx-co-ButEnOx) copolymers by radical thiol-ene chemistry. Another approach was to use a cyclic thioester, thiolactone, or an azlactone functionality to bind a model peptide via native chemical ligation. The two latter named strategies to bind peptides to POx side chains are especially interesting as one and in the case of thiolactone two free thiols are still present at the binding site after the reaction, which can, for example, be used for further thiol-ene cross-linking to form POx hydrogels. In summary, side functional poly(oxazoline) copolymers show great potential for numerous biomedical applications. The various side chain functionalities can be introduced by an appropriate monomer or by post-polymerization functionalization, as demonstrated. By their multi-functionality, hydrogel characteristics, such as cross-linking degree and mechanical strength, can be fine-tuned and adjusted depending on the application in the human body. In addition, the presented chemoselective and orthogonal reaction strategies can be used in the future to synthesize polymer conjugates, which can, for example, be used in drug delivery or in tissue regeneration. N2 - Das Ziel der Arbeit war es, wasserlösliche Poly(2-oxazolin) (POx) Copolymere mit neuen Seitenkettenfunktionalitäten zu entwickeln, welche zur Synthese von Hydrogelen für biomedizinische Anwendungen und zur Entwicklung von Peptid-Polymer Konjugaten genutzt werden können. Zunächst wurden Copolymere aus den Monomeren MeOx oder EtOx mit ButEnOx und EtOx mit DecEnOx synthetisiert und anschließend charakterisiert. Die Monomere wurden statistisch miteinander copolymerisiert, indem sie zusammen zum Start der Reaktion in das Reaktionsgefäß gegeben wurden. Die Vinyl Funktionalität, die durch die Monomere ButEnOx und DecEnOx eingebracht wurde, kann später zur nachträglichen Funktionalisierung am Polymer verwendet werden. Die synthetisierten Copolymere wurden weiterhin mit Thiolen oder mit funktionellen Catecholgruppen ausgestattet, um Hydrogele herzustellen. Um Peptid-Polymer Konjugate zu bilden, wurden zyklische Thioester, genauer Thiolacton acrylamid und ein Azlacton Präkursor, dessen Synthese neu entwickelt wurde, an die Seitenkette von P(EtOx-co-ButEnOx) Copolymere angebunden. Im Folgenden wurde die Anwendung der thiol funktionalisierten Copolymere als Hydrogele, welche mittels radikalischer Thiol-ene Chemie vernetzt wurden, präsentiert. Das Quellverhalten und die mechanischen Eigenschaften wurden analysiert. Sowohl die Hydrophilie des Netzwerkes als auch die Vernetzungsdichte beeinflusste das Quellverhalten und die mechanische Festigkeit stark. Alle Hydrogele zeigten gute Zellverträglichkeit. Die Hydrogele basierend auf MeOx und EtOx wurden außerdem mit den Farbstoffen Fluorescein und Methylenblau beladen. Es wurde beobachtet, dass von den beiden Farbstoffen die Aufnahme des hydrophileren Farbstoffs Fluorescein stärker vom Quellungsgrad des Hydrogels abhing. Hingegen war die Aufnahme des hydrophoberen Farbstoffs Methylenblau weniger davon abhängig wie sehr das Hydrogel quellen konnte, sondern stärker von der Hydrophilie des Hydrogel-Netzwerkes. Um die potenzielle Anwendung als Knorpelkleber zu testen, wurden (biohybrid) Hydrogele basierend auf Catechol-funktionalisiertem Copolymeren mit und ohne zusätzliches Fibrinogen und dem Oxidationsmittel Natriumperiodat hergestellt. Das System war durch die eingebauten Ester Vernetzungspunkte abbaubar. Das Quellverhalten und die mechanischen Eigenschaften wurden charakterisiert. Wie zu erwarten, zeigten Hydrogele mit stärkerer Vernetzung eine geringe Quellung und einen höheren elastischen Modulus. Die Zugabe von Fibrinogen jedoch erhöhte die Elastizität des Netzwerkes, welches förderlich für die avisierte Anwendung als Knorpelkleber sein kann. Die biologische Auswertung zeigte, dass die Ester-haltigen, abbaubaren Vernetzungspunkte von großem Vorteil sind. Die Chondrozyten konnten ohne Probleme den Defektspalt überbrücken, was nicht möglich war, sobald keine Ester Funktionalitäten im Hydrogel eingebunden waren. Zuletzt wurden verschiedene Möglichkeiten Peptid-Polymer Konjugate zu synthetisieren präsentiert. Zum einen wurden Peptide mit der Thiolgruppe des endständigen Cysteins an die Vinyl Seitenkette der P(EtOx-co-ButEnOx) Copolymere mittels radikalischer Thiol-en Chemie angebunden. Des Weiteren wurde ein zyklischer Thioester, das Thiolacton, und eine Azlacton Funktionalität verwendet, um ein Modell Peptid mittels nativer chemischer Ligation zu binden. Die zwei zuletzt genannten Strategien, um Peptide an Polymere zu binden, sind besonders interessant, da hier ein beziehungsweise im Fall der Thiolacton Funktionalität zwei freie Thiole an der Bindungsstelle nach der Reaktion entstehen. Diese könnten genutzt werden, um zum Beispiel über Thiol-en Chemie Peptid-haltige Hydrogele herzustellen. Zusammenfassend zeigen seitenkettenfunktionale Poly(oxazolin) Copolymere ein großes Potenzial für biomedizinische Anwendungen. Die vielen verschiedenen Seitenkettenfunktionalitäten können durch das passende Monomer oder durch Post-Polymerisationsfunktionalisierung eingebracht werden, wie in dieser Arbeit gezeigt. Durch ihre Multifunktionalität können Hydrogel Charakteristika, wie der Vernetzungsgrad und die mechanische Festigkeit, fein eingestellt und angepasst werden, je nach Anwendungsbereich im menschlichen Körper. Die entwickelten chemoselektiven und orthogonalen Reaktionswege können in der Zukunft genutzt werden, um Polymer Konjugate zu synthetisieren, welche zum Beispiel für das Drug Delivery oder im Bereich der Geweberegneration zum Einsatz kommen. KW - Polymere KW - Ringöffnungspolymerisation KW - Hydrogel KW - hydrogel KW - poly(2-oxazoline)s KW - ring-opening polymerization KW - polymer-peptide-conjugate KW - thiol-ene KW - Dihydrooxazole Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-203960 ER - TY - JOUR A1 - Lorson, Thomas A1 - Ruopp, Matthias A1 - Nadernezhad, Ali A1 - Eiber, Julia A1 - Vogel, Ulrich A1 - Jungst, Tomasz A1 - Lühmann, Tessa T1 - Sterilization Methods and Their Influence on Physicochemical Properties and Bioprinting of Alginate as a Bioink Component JF - ACS Omega N2 - Bioprinting has emerged as a valuable threedimensional (3D) biomanufacturing method to fabricate complex hierarchical cell-containing constructs. Spanning from basic research to clinical translation, sterile starting materials are crucial. In this study, we present pharmacopeia compendial sterilization methods for the commonly used bioink component alginate. Autoclaving (sterilization in saturated steam) and sterile filtration followed by lyophilization as well as the pharmacopeia non-compendial method, ultraviolet (UV)-irradiation for disinfection, were assessed. The impact of the sterilization methods and their effects on physicochemical and rheological properties, bioprinting outcome, and sterilization efficiency of alginate were detailed. Only sterile filtration followed by lyophilization as the sterilization method retained alginate's physicochemical properties and bioprinting behavior while resulting in a sterile outcome. This set of methods provides a blueprint for the analysis of sterilization effects on the rheological and physicochemical pattern of bioink components and is easily adjustable for other polymers used in the field of biofabrication in the future. KW - hydrogels Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229460 N1 - Lizenz: https://pubs.acs.org/page/policy/authorchoice_termsofuse.html VL - 5 IS - 12 ER - TY - THES A1 - Shan, Junwen T1 - Tailoring Hyaluronic Acid and Gelatin for Bioprinting T1 - Modifikation von Hyaluronsäure und Gelatine für die Anwendung im Biodruck N2 - In the field of biofabrication, biopolymer-based hydrogels are often used as bulk materials with defined structures or as bioinks. Despite their excellent biocompatibility, biopolymers need chemical modification to fulfill mechanical stability. In this thesis, the primary alcohol of hyaluronic acid was oxidized using TEMPO/TCC oxidation to generate aldehyde groups without ring-opening mechanism of glycol cleavage using sodium periodate. For crosslinking reaction of the aldehyde groups, adipic acid dihydrazide was used as bivalent crosslinker for Schiff Base chemistry. This hydrogel system with fast and reversible crosslinking mechanism was used successfully as bulk hydrogel for chondrogenic differentiation with human mesenchymal stem cells (hMSC). Gelatin was modified with pentenoic acid for crosslinking reaction via light controllable thiol-ene reaction, using thiolated 4-arm sPEG as multivalent crosslinker. Due to preservation of the thermo responsive property of gelatin by avoiding chain degradation during modification reaction, this gelatin-based hydrogel system was successfully processed via 3D printing with low polymer concentration. Good cell viability was achieved using hMSC in various concentrations after 3D bioprinting and chondrogenic differentiation showed promising results. N2 - Im Bereich der Biofabrikation werden Hydrogele auf Biopolymerbasis häufig als Bulkmaterial mit definierten Strukturen oder als Biotinten verwendet. Obwohl Biopolymere eine hervorragende Biokompatibilität aufweisen, müssen sie jedoch chemisch modifiziert werden, um gewisse mechanische Stabilität für den Einsatz in der Biofabrikation zu erreichen. In dieser Arbeit wurde der primäre Alkohol der Hyaluronsäure mit Hilfe der TEMPO/TCC-Oxidation oxidiert, um Aldehydgruppen zu generieren. Dabei findet kein Ringöffnungsmechanismus statt, wie er bei der Glykolspaltung mit Natriumperiodat vorkommt. Für die Vernetzungsreaktion der Aldehydgruppen wurde Adipinsäuredihydrazid als bivalenter Vernetzer für die Bildung der Schiffschen Base verwendet. Dieses Hydrogelsystem mit schnellem und reversiblem Vernetzungsmechanismus wurde erfolgreich als Bulkhydrogel für die chondrogene Differenzierung mit humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) erfolgreich eingesetzt. Als Mikrogele könnte das System in künftigen Forschungsarbeiten auf seine Verdruckbarkeit getestet werden. Gelatine wurde mit Pentensäure modifiziert, um die Vernetzungsreaktion über eine lichtkontrollierbare Thiol-En-Reaktion durchzuführen, bei der thioliertes 4-armiges sPEG als multivalenter Vernetzer verwendet wurde. Da die thermoresponsive Eigenschaft der Gelatine erhalten blieb, indem der Kettenabbau während der Modifizierungsreaktion vermieden wurde, konnte dieses Hydrogelsystem auf Gelatinebasis erfolgreich im 3D-Druck mit niedriger Polymerkonzentration verarbeitet werden. Mit hMSC in verschiedenen Konzentrationen wurde nach dem 3D-Biodruck eine gute Zellviabilität erreicht und die chondrogene Differenzierung zeigte vielversprechende Ergebnisse. KW - Hydrogel KW - Biomaterial KW - Biofabrication of hydrogels KW - Biomaterial KW - Chemical modification of biopolymers KW - Chondrogenic differentiation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-298256 ER - TY - JOUR A1 - Karakaya, Emine A1 - Bider, Faina A1 - Frank, Andreas A1 - Teßmar, Jörg A1 - Schöbel, Lisa A1 - Forster, Leonard A1 - Schrüfer, Stefan A1 - Schmidt, Hans-Werner A1 - Schubert, Dirk Wolfram A1 - Blaeser, Andreas A1 - Boccaccini, Aldo R. A1 - Detsch, Rainer T1 - Targeted printing of cells: evaluation of ADA-PEG bioinks for drop on demand approaches JF - Gels N2 - A novel approach, in the context of bioprinting, is the targeted printing of a defined number of cells at desired positions in predefined locations, which thereby opens up new perspectives for life science engineering. One major challenge in this application is to realize the targeted printing of cells onto a gel substrate with high cell survival rates in advanced bioinks. For this purpose, different alginate-dialdehyde—polyethylene glycol (ADA-PEG) inks with different PEG modifications and chain lengths (1–8 kDa) were characterized to evaluate their application as bioinks for drop on demand (DoD) printing. The biochemical properties of the inks, printing process, NIH/3T3 fibroblast cell distribution within a droplet and shear forces during printing were analyzed. Finally, different hydrogels were evaluated as a printing substrate. By analysing different PEG chain lengths with covalently crosslinked and non-crosslinked ADA-PEG inks, it was shown that the influence of Schiff's bases on the viscosity of the corresponding materials is very low. Furthermore, it was shown that longer polymer chains resulted in less stable hydrogels, leading to fast degradation rates. Several bioinks highly exhibit biocompatibility, while the calculated nozzle shear stress increased from approx. 1.3 and 2.3 kPa. Moreover, we determined the number of cells for printed droplets depending on the initial cell concentration, which is crucially needed for targeted cell printing approaches. KW - bioprinting KW - drop on demand KW - sodium alginate KW - polyethylene glycol KW - shear stress Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-267317 SN - 2310-2861 VL - 8 IS - 4 ER - TY - JOUR A1 - Shan, Junwen A1 - Böck, Thomas A1 - Keller, Thorsten A1 - Forster, Leonard A1 - Blunk, Torsten A1 - Groll, Jürgen A1 - Teßmar, Jörg T1 - TEMPO/TCC as a Chemo Selective Alternative for the Oxidation of Hyaluronic Acid JF - Molecules N2 - Hyaluronic acid (HA)-based hydrogels are very commonly applied as cell carriers for different approaches in regenerative medicine. HA itself is a well-studied biomolecule that originates from the physiological extracellular matrix (ECM) of mammalians and, due to its acidic polysaccharide structure, offers many different possibilities for suitable chemical modifications which are necessary to control, for example, network formation. Most of these chemical modifications are performed using the free acid function of the polymer and, additionally, lead to an undesirable breakdown of the biopolymer’s backbone. An alternative modification of the vicinal diol of the glucuronic acid is oxidation with sodium periodate to generate dialdehydes via a ring opening mechanism that can subsequently be further modified or crosslinked via Schiff base chemistry. Since this oxidation causes a structural destruction of the polysaccharide backbone, it was our intention to study a novel synthesis protocol frequently applied to selectively oxidize the C6 hydroxyl group of saccharides. On the basis of this TEMPO/TCC oxidation, we studied an alternative hydrogel platform based on oxidized HA crosslinked using adipic acid dihydrazide as the crosslinker. KW - hyaluronic acid KW - oxidation KW - hydrogel formation KW - Schiff base chemistry Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-248362 SN - 1420-3049 VL - 26 IS - 19 ER - TY - JOUR A1 - Hauptstein, Julia A1 - Forster, Leonard A1 - Nadernezhad, Ali A1 - Groll, Jürgen A1 - Teßmar, Jörg A1 - Blunk, Torsten T1 - Tethered TGF-β1 in a hyaluronic acid-based bioink for bioprinting cartilaginous tissues JF - International Journal of Molecular Sciences N2 - In 3D bioprinting for cartilage regeneration, bioinks that support chondrogenic development are of key importance. Growth factors covalently bound in non-printable hydrogels have been shown to effectively promote chondrogenesis. However, studies that investigate the functionality of tethered growth factors within 3D printable bioinks are still lacking. Therefore, in this study, we established a dual-stage crosslinked hyaluronic acid-based bioink that enabled covalent tethering of transforming growth factor-beta 1 (TGF-β1). Bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (MSCs) were cultured over three weeks in vitro, and chondrogenic differentiation of MSCs within bioink constructs with tethered TGF-β1 was markedly enhanced, as compared to constructs with non-covalently incorporated TGF-β1. This was substantiated with regard to early TGF-β1 signaling, chondrogenic gene expression, qualitative and quantitative ECM deposition and distribution, and resulting construct stiffness. Furthermore, it was successfully demonstrated, in a comparative analysis of cast and printed bioinks, that covalently tethered TGF-β1 maintained its functionality after 3D printing. Taken together, the presented ink composition enabled the generation of high-quality cartilaginous tissues without the need for continuous exogenous growth factor supply and, thus, bears great potential for future investigation towards cartilage regeneration. Furthermore, growth factor tethering within bioinks, potentially leading to superior tissue development, may also be explored for other biofabrication applications. KW - biofabrication KW - bioink KW - chondrogenic differentiation KW - dual-stage crosslinking KW - hyaluronic acid KW - tethering KW - transforming growth factor-beta 1 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-284239 SN - 1422-0067 VL - 23 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Sun, Wei A1 - Starly, Binil A1 - Daly, Andrew C A1 - Burdick, Jason A A1 - Groll, Jürgen A1 - Skeldon, Gregor A1 - Shu, Wenmiao A1 - Sakai, Yasuyuki A1 - Shinohara, Marie A1 - Nishikawa, Masaki A1 - Jang, Jinah A1 - Cho, Dong-Woo A1 - Nie, Minghao A1 - Takeuchi, Shoji A1 - Ostrovidov, Serge A1 - Khademhosseini, Ali A1 - Kamm, Roger D A1 - Mironov, Vladimir A1 - Moroni, Lorenzo A1 - Ozbolat, Ibrahim T T1 - The bioprinting roadmap JF - Biofabrication N2 - This bioprinting roadmap features salient advances in selected applications of the technique and highlights the status of current developments and challenges, as well as envisioned advances in science and technology, to address the challenges to the young and evolving technique. The topics covered in this roadmap encompass the broad spectrum of bioprinting; from cell expansion and novel bioink development to cell/stem cell printing, from organoid-based tissue organization to bioprinting of human-scale tissue structures, and from building cell/tissue/organ-on-a-chip to biomanufacturing of multicellular engineered living systems. The emerging application of printing-in-space and an overview of bioprinting technologies are also included in this roadmap. Due to the rapid pace of methodological advancements in bioprinting techniques and wide-ranging applications, the direction in which the field should advance is not immediately clear. This bioprinting roadmap addresses this unmet need by providing a comprehensive summary and recommendations useful to experienced researchers and newcomers to the field. KW - biofabrication KW - bioprinting KW - cell printing KW - biological models KW - disease models KW - organoids KW - organ-on-a-chip Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-254027 VL - 12 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Kade, Juliane C. A1 - Bakirci, Ezgi A1 - Tandon, Biranche A1 - Gorgol, Danila A1 - Mrlik, Miroslav A1 - Luxenhofer, Robert A1 - Dalton, Paul D. T1 - The Impact of Including Carbonyl Iron Particles on the Melt Electrowriting Process JF - Macromolecular Materials and Engineering N2 - Melt electrowriting, a high-resolution additive manufacturing technique, is used in this study to process a magnetic polymer-based blend for the first time. Carbonyl iron (CI) particles homogenously distribute into poly(vinylidene fluoride) (PVDF) melts to result in well-defined, highly porous structures or scaffolds comprised of fibers ranging from 30 to 50 µm in diameter. This study observes that CI particle incorporation is possible up to 30 wt% without nozzle clogging, albeit that the highest concentration results in heterogeneous fiber morphologies. In contrast, the direct writing of homogeneous PVDF fibers with up to 15 wt% CI is possible. The fibers can be readily displaced using magnets at concentrations of 1 wt% and above. Combined with good viability of L929 CC1 cells using Live/Dead imaging on scaffolds for all CI concentrations indicates that these formulations have potential for the usage in stimuli-responsive applications such as 4D printing. KW - additive manufacturing KW - melt electrospinning writing KW - magnetoactive materials KW - electroactive polymers Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-318482 SN - 1438-7492 VL - 307 IS - 12 ER - TY - JOUR A1 - Boehm, Anne A1 - Meininger, Susanne A1 - Tesch, Annemarie A1 - Gbureck, Uwe A1 - Müller, Frank A. T1 - The mechanical properties of biocompatible apatite bone cement reinforced with chemically activated carbon fibers JF - Materials N2 - Calcium phosphate cement (CPC) is a well-established bone replacement material in dentistry and orthopedics. CPC mimics the physicochemical properties of natural bone and therefore shows excellent in vivo behavior. However, due to their brittleness, the application of CPC implants is limited to non-load bearing areas. Generally, the fiber-reinforcement of ceramic materials enhances fracture resistance, but simultaneously reduces the strength of the composite. Combining strong C-fiber reinforcement with a hydroxyapatite to form a CPC with a chemical modification of the fiber surface allowed us to adjust the fiber–matrix interface and consequently the fracture behavior. Thus, we could demonstrate enhanced mechanical properties of CPC in terms of bending strength and work of fracture to a strain of 5% (WOF5). Hereby, the strength increased by a factor of four from 9.2 ± 1.7 to 38.4 ± 1.7 MPa. Simultaneously, the WOF5 increased from 0.02 ± 0.004 to 2.0 ± 0.6 kJ∙m−2, when utilizing an aqua regia/CaCl2 pretreatment. The cell proliferation and activity of MG63 osteoblast-like cells as biocompatibility markers were not affected by fiber addition nor by fiber treatment. CPC reinforced with chemically activated C-fibers is a promising bone replacement material for load-bearing applications. KW - calcium phosphate cement KW - damage tolerant cement KW - carbon fiber reinforcement KW - interface control KW - fiber–matrix interaction Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-197808 SN - 1996-1944 VL - 11 IS - 2 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 - 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 - THES A1 - Böhm, Christoph T1 - Thermal Stability of the Polyesters PCL and PLGA during Melt Electrowriting T1 - Thermische Stabilität der Polyester PCL und PLGA während des Melt Electrowriting Prozesses N2 - The focus of this thesis was to investigate how PCL and PLGA react to the heat exposure that comes with the MEW process over a defined timespan. To assess the thermal stability of PCL during MEW over 25 d, an automated collection of fibers has been used to determine the CTS on each day of heating for three different temperatures. PCL is exceptionally stable over 25 d at 75 °C, whereas for 85 °C and 95 °C a slight upward trend during the last 10 d could be observed, which is an indication for thermal degradation. Same trend could be observed for diameter of fibers produced at a fixed collector speed. For all temperatures, CTS during the first 5 d decreased due to inhomogeneities of the melt. Physical analysis of the fibers by XRD and mechanical testing showed no significant changes. To investigate the chemical details of the thermal durability, PCL was artificially aged over 25 d at 75 °C, 85 °C and 95 °C. Data from GPC analysis and rheology revealed that PCL is degrading steadily at all three temperatures. Combined with GC-MS analysis, two different mechanisms for degradation could be observed: random chain scission and unzipping. Additional GPC experiment using a mixture of PCL and a fluorescence labelled PCL showed that PCL was undergoing ester interchange reactions, which could explain its thermal stability. PLGA was established successfully as material for MEW. GPC results revealed that PLGA degraded heavily in the one-hour preheating period. To reduce the processing temperature, ATEC was blended with PLGA in three mixtures. This slowed down degradation and a processing window of 6 h could be established. Mechanical testing with fibers produced with PLGA and all three blends was performed. PLGA was very brittle, whereas the blends showed an elastic behavior. This could be explained by ester interchange reactions that formed a loosely crosslinked network with ATEC. N2 - Ziel dieser Arbeit war, die Veränderung von PCL und PLGA während des MEW-Verfahrens bei bestimmten Temperaturen über einen definierten Zeitraum zu untersuchen. Für die Bewertung der thermischen Stabilität von PCL während des MEW-Prozesses über 25 d wurden Fasern in einem vorgegebenen Druckmuster gesammelt, um täglich die CTS für drei verschiedene Temperaturen zu bestimmen. Allgemein war PCL bei 75 °C über 25 d thermisch stabil. Allerdings nahm die CTS bei allen Temperaturen während der ersten 5 d aufgrund von Inhomogenitäten der Schmelze ab. Bei 85 °C und 95 °C wurde in den letzten 10 d ein leichter Anstieg der CTS beobachtet, was auf thermische Degradation hinweist. Dieser Anstieg war ebenfalls im Durchmesser der Fasern zu beobachten, die mit konstanter Kollektorgeschwindigkeit hergestellt wurden. Die physikalische Untersuchung der Fasern mittels XRD und mechanischer Tests ergab keine signifikanten Veränderungen. Um die Chemie der thermischen Beständigkeit zu untersuchen, wurde PCL über 25 d bei 75 °C, 85 °C und 95 °C künstlich gealtert. GPC- und rheologische Analysen zeigten, dass PCL bei allen Temperaturen stetig abbaut. Mit der GC-MS-Analyse konnten zwei Abbaumechanismen beobachtet werden: zufällige Kettenspaltung und Unzipping. GPC-Messungen mit einer Mischung aus PCL und einem fluoreszenzmarkierten PCL zeigten, dass es zu Esteraustauschreaktionen kommt, welche die thermische Stabilität erklären. PLGA wurde erfolgreich als Material für MEW etabliert. Die GPC-Daten zeigten, dass PLGA während der einstündigen Aufheizphase stark abgebaut wurde. Um die Verarbeitungstemperatur zu senken, wurden drei Mischungen mit verschiedenen Verhältnissen von PLGA und ATEC hergestellt. Dadurch verlangsamte sich der Abbau, wodurch ein Verarbeitungsfenster von 6 h erreicht wurde. Mechanische Tests zeigten für PLGA ein sprödes, für die Mischungen ein elastisches Verhalten. Dies kann durch Esteraustauschreaktionen mit ATEC erklärt werden, durch die ein Polymernetzwerk entstehen könnte. KW - Degradation KW - Polylactid-co-Glycolid KW - Polycaprolacton KW - Additive Fertigung KW - polycaprolactone KW - poly(lactic-co-glycolic acid) KW - additive manufacturing KW - degradation KW - Rapid Prototyping KW - PCL KW - PLGA Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-306139 ER - TY - THES A1 - Feineis, Susanne T1 - Thioether-poly(glycidol) as multifunctional coating system for gold nanoparticles T1 - Thioether-Poly(glycidol) als multifunktionales Beschichtungssystem für Gold-Nanopartikel N2 - The aim of this thesis was the development of a multifunctional coating system for AuNPs based on thioether polymers, providing both excellent colloidal stability and a variable possibility to introduce functionalities for biological applications. First, two thioether-polymer systems were synthesised as a systematic investigation into colloidal stabilisation efficacy. Besides commonly used monovalent poly(ethylene glycol) (PEG-SR), its structural analogue linear poly(glycidol) (PG-SR) bearing multiple statistically distributed thioether moieties along the backbone was synthesised. Additionally, respective thiol analogues (PEG-SH and PG-SH) were produced and applied as reference. Successive modification of varyingly large AuNPs with aforementioned thiol- and thioether-polymers was performed via ligand exchange reaction on citrate stabilised AuNPs. An increased stabilisation efficacy of both thioether-polymers against biological and physiological conditions, as well as against freeze-drying compared to thiol analogues was determined. Based on the excellent colloidal stabilisation efficacy and multi-functionalisability of thioether-PG, a plethora of functional groups, such as charged groups, hydrophilic/hydrophobic chains, as well as bio-active moieties namely diazirine and biotin was introduced to the AuNP surface. Moreover, the generic and covalent binding of diazirine-modified PG-SR with biomolecules including peptides and proteins was thoroughly demonstrated. Lastly, diverse applicability and bioactivity of aforementioned modified particles in various studies was displayed, once more verifying the introduction of functionalities. On the one hand the electrostatic interaction of charged AuNPs with hydrogels based on hyaluronic acid was applied to tune the release kinetics of particles from three-dimensional scaffolds. On the other hand the strong complexation of siRNA onto two positively charged AuNPs was proven. The amount of siRNA payload was tuneable by varying the surface charge, ionic strength of the surrounding medium and the N/P ratio. Moreover, the biological activity and selectivity of the biotin-streptavidin conjugation was verified with respectively functionalised particles in controlled agglomeration test and in laser-triggered cell elimination experiments. In the latter, streptavidin-functionalised AuNPs resulted in excellent depletion of biotinylated cells whereas unfunctionalised control particles failed, excluding unspecific binding of these particles to the cell surface. N2 - Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines multifunktionalen Beschichtungssystems für Gold Nanopartikel (AuNP) basierend auf Thioether-Polymeren, das sowohl eine hervorragende kolloidale Stabilität aufweist, als auch eine variable Einbringung von Funktionalitäten für biologische Anwendungen ermöglicht. Um eine Systematik der Untersuchung von kolloidaler Stabilisierungseffizienz zu gewährleisten, wurden zwei Thioether-Polymersysteme synthetisiert. Diese basierten auf dem gebräuchlichen monovalenten Polyethylenglykol (PEG-SR) und dessen Strukturanalog Polyglycidol (PG-SR), das mehrere statistisch verteilte Thioethergruppen an seinem Rückgrat trägt. Zusätzlich wurden entsprechende Thiol-Polymere hergestellt (PEG-SH and PG-SH) und als Referenz eingesetzt. Die anschließende Modifikation von unterschiedlich großen AuNP mit zuvor erwähnten Thiol- und Thioether-Polymeren wurde über eine Liganden-Austausch-Reaktion auf Citrat-stabilisierten AuNP durchgeführt. Für beide Thioether-Polymere wurde eine höhere Stabilisierungseffizienz, insbesondere gegen biologische und physiologische Bedingungen, als auch gegen Gefriertrocknung im Vergleich zu entsprechenden Thiol-Analogen in einer systematischen Studie mit unterschiedlich großen AuNP festgestellt. Basierend auf der exzellenten kolloidalen Stabilisierungseffizienz und der multi-Funktionalisierbarkeit von Thioether-PG, wurde eine Vielzahl an funktioneller Einheiten, wie geladenen Gruppen, hydrophilen/hydrophoben Ketten und bioaktive Einheiten wie Diazirin und Biotin auf die AuNP Oberfläche eingebracht. Des Weiteren wurde die generische und kovalente Bindung zwischen Diazirin-modifiziertem PG-SR und Biomolekülen, wie Peptiden und Proteinen ausführlich aufgezeigt. Zuletzt, wurde die vielfältige Anwendungsmöglichkeit und Bioaktivität der zuvor erwähnten modifizierten Partikel in diversen Studien dargestellt, wodurch nochmals die erfolgreiche Einbringung der Funktionalitäten verifiziert wurde. Zum einen wurde hierbei die elektrostatische Wechselwirkung zwischen geladenen AuNP und Hydrogelen, die auf Hyaluronsäure basierten genutzt, um die Freisetzungskinetik der Partikel aus den drei-dimensionalen Gerüsten zu steuern. Zum anderen wurde die starke Komplexierung von siRNA an zwei unterschiedlich stark positiv geladene AuNP nachgewiesen. Die Menge an komplexierter siRNA konnte über Variation der Oberflächenladung, der Ionenstärke des umgebenden Mediums und des N/P Verhältnisses eingestellt werden. Zudem wurde die biologische Aktivität und Selektivität der Biotin-Streptavidin Konjugation mittels entsprechend funktionalisierter AuNP in kontrollierten Agglomerationstests und in ausführlichen Laser-induzierten Zelleliminationsstudien nachgewiesen. In letzteren Studien riefen Streptavidin-funktionalisierte AuNP exzellente Depletion von biotinylierten-Zellen hervor, wohingegen unfunktionalisierte Kontrollpartikel versagten, was eine unspezifische Bindung dieser Partikel an die Zelloberfläche ausschloss. KW - Nanopartikel KW - Gold-Nanoparticles KW - Thioether-Poly(glycidol) KW - Colloidal Stability KW - Multifunctionalisability Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-172902 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 - Rödel, Michaela A1 - Teßmar, Jörg A1 - Groll, Jürgen A1 - Gbureck, Uwe T1 - Tough and Elastic alpha-Tricalcium Phosphate Cement Composites with Degradable PEG-Based Cross-Linker JF - Materials N2 - Dual setting cements composed of an in situ forming hydrogel and a reactive mineral phase combine high compressive strength of the cement with sufficient ductility and bending strength of the polymeric network. Previous studies were focused on the modification with non-degradable hydrogels based on 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA). Here, we describe the synthesis of suitable triblock degradable poly(ethylene glycol)-poly(lactide) (PEG-PLLA) cross-linker to improve the resorption capacity of such composites. A study with four different formulations was established. As reference, pure hydroxyapatite (HA) cements and composites with 40 wt% HEMA in the liquid cement phase were produced. Furthermore, HEMA was modified with 10 wt% of PEG-PLLA cross-linker or a test series containing only 25% cross-linker was chosen for composites with a fully degradable polymeric phase. Hence, we developed suitable systems with increased elasticity and 5-6 times higher toughn ess values in comparison to pure inorganic cement matrix. Furthermore, conversion rate from alpha-tricalcium phosphate (alpha-TCP) to HA was still about 90% for all composite formulations, whereas crystal size decreased. Based on this material development and advancement for a dual setting system, we managed to overcome the drawback of brittleness for pure calcium phosphate cements. KW - dual setting system KW - bending strength KW - calcium phosphate cement KW - composite material KW - HEMA KW - hydroxyapatite KW - free radical polymerization Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-226437 VL - 12 IS - 53 ER - TY - JOUR A1 - Ryma, Matthias A1 - Tylek, Tina A1 - Liebscher, Julia A1 - Blum, Carina A1 - Fernandez, Robin A1 - Böhm, Christoph A1 - Kastenmüller, Wolfgang A1 - Gasteiger, Georg A1 - Groll, Jürgen T1 - Translation of collagen ultrastructure to biomaterial fabrication for material-independent but highly efficient topographic immunomodulation JF - Advanced materials N2 - Supplement-free induction of cellular differentiation and polarization solely through the topography of materials is an auspicious strategy but has so far significantly lagged behind the efficiency and intensity of media-supplementation-based protocols. Consistent with the idea that 3D structural motifs in the extracellular matrix possess immunomodulatory capacity as part of the natural healing process, it is found in this study that human-monocyte-derived macrophages show a strong M2a-like prohealing polarization when cultured on type I rat-tail collagen fibers but not on collagen I films. Therefore, it is hypothesized that highly aligned nanofibrils also of synthetic polymers, if packed into larger bundles in 3D topographical biomimetic similarity to native collagen I, would induce a localized macrophage polarization. For the automated fabrication of such bundles in a 3D printing manner, the strategy of “melt electrofibrillation” is pioneered by the integration of flow-directed polymer phase separation into melt electrowriting and subsequent selective dissolution of the matrix polymer postprocessing. This process yields nanofiber bundles with a remarkable structural similarity to native collagen I fibers, particularly for medical-grade poly(ε-caprolactone). These biomimetic fibrillar structures indeed induce a pronounced elongation of human-monocyte-derived macrophages and unprecedentedly trigger their M2-like polarization similar in efficacy as interleukin-4 treatment. KW - biofabrication KW - extracellular matrix KW - immunomodulation KW - macrophages KW - melt electrofibrillation KW - melt electrowriting Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256381 VL - 33 IS - 33 ER - TY - JOUR A1 - Bothe, Friederike A1 - Deubel, Anne-Kathrin A1 - Hesse, Eliane A1 - Lotz, Benedict A1 - Groll, Jürgen A1 - Werner, Carsten A1 - Richter, Wiltrud A1 - Hagmann, Sebastien T1 - Treatment of focal cartilage defects in minipigs with zonal chondrocyte/mesenchymal progenitor cell constructs JF - International Journal of Molecular Sciences N2 - Despite advances in cartilage repair strategies, treatment of focal chondral lesions remains an important challenge to prevent osteoarthritis. Articular cartilage is organized into several layers and lack of zonal organization of current grafts is held responsible for insufficient biomechanical and biochemical quality of repair-tissue. The aim was to develop a zonal approach for cartilage regeneration to determine whether the outcome can be improved compared to a non-zonal strategy. Hydrogel-filled polycaprolactone (PCL)-constructs with a chondrocyte-seeded upper-layer deemed to induce hyaline cartilage and a mesenchymal stromal cell (MSC)-containing bottom-layer deemed to induce calcified cartilage were compared to chondrocyte-based non-zonal grafts in a minipig model. Grafts showed comparable hardness at implantation and did not cause visible signs of inflammation. After 6 months, X-ray microtomography (µCT)-analysis revealed significant bone-loss in both treatment groups compared to empty controls. PCL-enforcement and some hydrogel-remnants were retained in all defects, but most implants were pressed into the subchondral bone. Despite important heterogeneities, both treatments reached a significantly lower modified O’Driscoll-score compared to empty controls. Thus, PCL may have induced bone-erosion during joint loading and misplacement of grafts in vivo precluding adequate permanent orientation of zones compared to surrounding native cartilage. KW - cartilage repair KW - osteochondral defect KW - tissue engineering KW - starPEG hydrogel KW - chondrocyte KW - MSC KW - zonal construct KW - minipig Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-285118 SN - 1422-0067 VL - 20 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Haider, Malik Salman A1 - Ahmad, Taufiq A1 - Yang, Mengshi A1 - Hu, Chen A1 - Hahn, Lukas A1 - Stahlhut, Philipp A1 - Groll, Jürgen A1 - Luxenhofer, Robert T1 - Tuning the thermogelation and rheology of poly(2-oxazoline)/poly(2-oxazine)s based thermosensitive hydrogels for 3D bioprinting JF - Gels N2 - As one kind of “smart” material, thermogelling polymers find applications in biofabrication, drug delivery and regenerative medicine. In this work, we report a thermosensitive poly(2-oxazoline)/poly(2-oxazine) based diblock copolymer comprising thermosensitive/moderately hydrophobic poly(2-N-propyl-2-oxazine) (pPrOzi) and thermosensitive/moderately hydrophilic poly(2-ethyl-2-oxazoline) (pEtOx). Hydrogels were only formed when block length exceeded certain length (≈100 repeat units). The tube inversion and rheological tests showed that the material has then a reversible sol-gel transition above 25 wt.% concentration. Rheological tests further revealed a gel strength around 3 kPa, high shear thinning property and rapid shear recovery after stress, which are highly desirable properties for extrusion based three-dimensional (3D) (bio) printing. Attributed to the rheology profile, well resolved printability and high stackability (with added laponite) was also possible. (Cryo) scanning electron microscopy exhibited a highly porous, interconnected, 3D network. The sol-state at lower temperatures (in ice bath) facilitated the homogeneous distribution of (fluorescently labelled) human adipose derived stem cells (hADSCs) in the hydrogel matrix. Post-printing live/dead assays revealed that the hADSCs encapsulated within the hydrogel remained viable (≈97%). This thermoreversible and (bio) printable hydrogel demonstrated promising properties for use in tissue engineering applications. KW - poly(2-ethyl-2-oxazoline) KW - shear thinning KW - shape fidelity KW - cyto-compatibility KW - bio-printability Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-241781 SN - 2310-2861 VL - 7 IS - 3 ER - TY - THES A1 - Seifert, Annika Kristina T1 - Unidirectional freezing of soft and hard matter for biomedical applications T1 - Unidirektionales Gefrieren von weichen und harten Materialien für biomedizinische Anwendungen N2 - A multitude of human tissues, such as bones, tendons, or muscles, are characterized by a hierarchical and highly ordered structure. In many cases, the loss of these tissues requires reconstruction using biocompatible replacement materials. In the field of bone replacement, the pore structure of the material has a crucial influence. Anisotropic porosity would have the advantage of facilitating the ingrowth of cells and newly formed blood vessels as well as the transport of nutrients. In this thesis, scaffolds with a highly ordered and anisotropic pore structure were fabricated using unidirectional freezing. Systematic investigations were carried out on biopolymer solutions (alginate and chitosan) to gain a deeper understanding of the freeze-structuring process. The knowledge gained was then applied to the development of anisotropically structured bone substitute materials. Here, the previously existing material platform for anisotropically structured calcium phosphates was extended to low-temperature phases such as calcium deficient hydroxyapatite (CDHA) or the secondary phosphates monetite and brushite. After the implantation of a biomaterial, the inevitably triggered initial immune response plays a key role in the success of a graft, with immune cells such as neutrophils or macrophages being of particular importance. In this thesis, the influence of anisotropically structured alpha-TCP and CDHA scaffolds as well as their unstructured references on human monocytes/macrophages was investigated. Macrophages produced extracellular traps (ETs) due to mineral nanoparticles formed by the binding of phosphate and calcium ions to human platelet lysate. In particular, incubation of alpha-TCP samples in lysate containing cell culture medium resulted in pronounced particle formation and enhanced release of ETs. N2 - Eine Vielzahl menschlicher Gewebe, wie beispielsweise Knochen, Sehnen oder Muskeln, ist durch eine hierarchische und zum Teil hochgradig geordnete Struktur gekennzeichnet. Der beispielsweise durch Unfälle oder Krankheiten bedingte Verlust dieser Gewebe erfordert in vielen Fällen eine Rekonstruktion mit biokompatiblen Ersatzmaterialien. Neben der chemischen Zusammensetzung spielt deren Architektur eine wichtige Rolle für die Geweberegeneration und schließlich den Heilungserfolg des Implantats. Auch im Bereich des Knochenersatzes hat die Porenstruktur des Materials hierauf einen zentralen Einfluss, wobei der Einsatz von Materialien mit anisotroper Porosität neben der strukturellen Nachahmung des Gewebes den Vorteil hätte, dass das Einwachsen von Zellen und neu gebildeten Blutgefäßen sowie der Nährstofftransport erleichtert würden. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden anisotrop poröse Scaffolds mit einer hochgradig geordneten Porenstruktur mit Hilfe der Gefrierstrukturierung hergestellt. Hierfür wurde eine in früheren Arbeiten entwickelte Anlage verwendet, um einen definierten Temperaturgradienten in der Probe zur gerichteten Erstarrung zu erzeugen. Der Kern des Systems besteht aus zwei übereinander angeordneten Peltier-Elemente (PEs), zwischen denen sich die Probenlösung befindet. Durch die Variation der PE-Temperaturen kann das Eiskristallwachstum und schließlich die Porenstruktur innerhalb des Biomaterials gezielt beeinflusst und an die Anforderungen einer gewünschten Anwendung angepasst werden. Das Ziel dieser Arbeit war, ein tieferes Verständnis des Gefrierstrukturierungsprozesses zu erlangen und die gewonnenen Erkenntnisse auf die Entwicklung anisotrop poröser Knochenersatzmaterialien zu übertragen. Hierfür wurden in Kapitel 3 zunächst systematische Untersuchungen an Biopolymerlösungen (Alginat und Chitosan) durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass neben dem äußeren Temperaturgradienten auch die Temperaturen der PEs, die Kühlrate sowie Materialeigenschaften wie das Molekulargewicht, die Konzentration und die Viskosität der Lösung die Porenstruktur beeinflussen. Die Temperatur des Gesamtsystems bestimmte sowohl die Kühlrate als auch die Porendurchmesser, so dass höhere Kühlraten zu kleineren Poren führten. Die Porenorientierung konnte hingegen durch den externen Temperaturgradienten beeinflusst werden, wobei die Poren mit steigendem Gradienten zunehmend senkrecht zur Probenoberfläche orientiert ausgerichtet waren. Bestimmte Parameterkonstellationen, wie beispielsweise eine Temperatur der unteren Kühlfläche unterhalb von 60 °C kombiniert mit einer geringen Temperatur des oberen PE sowie eine hohe Viskosität (über 5 Pas nahe 0 °C) der Vorlösung führten allerdings dazu, dass die Porenausrichtung nicht mehr kontrollierbar war. Auf Basis von Kapitel 4 konnte die bis dato für anisotrop strukturierte Calciumphosphate existierende Materialplattform auf Niedrigtemperaturphasen wie calciumarmen Hydroxylapatit (CDHA) oder die sekundären Phosphate Monetit und Bruschit erweitert werden. Hierfür wurde gesintertes oder ungesintertes -Tricalciumphosphat (-TCP) mit anisotroper Porenstruktur durch hydrothermale Behandlung oder Inkubation in Phosphorsäure in die oben genannten Phasen umgewandelt. Durch die hydrothermale Behandlung konnte sowohl bei ungesinterten als auch bei gesinterten -TCP-Proben eine Phasenumwandlung in CDHA erzielt werden. Die Inkubation in Phosphorsäure führte zu einer Umwandlung in Monetit und Bruschit. Durch die hydrothermale Behandlung für 72 h bei 175 °C erhöhte sich die Porosität der ungesinterten Proben geringfügig von 85 % auf 88 %, während bei den gesinterten Proben ein Anstieg von 75 % auf 88 % zu beobachten war. Darüber hinaus ging eine Phasenumwandlung in CDHA durch die Bildung von feinen Kristallnadeln und -plättchen mit einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche einher. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften war besonders bemerkenswert, dass die Druckfestigkeit der ungesinterten Proben durch die Phasenumwandlung in Monetit signifikant von (0.76  0.11) auf (5.29  0.94) MPa erhöht wurde. In Kapitel 5 wurde der Einfluss von anisotrop porösen -TCP und CDHA Scaffolds sowie unstrukturierten und aus den gleichen Calciumphosphatphasen bestehenden Referenzproben auf humane Monozyten/Makrophagen untersucht. Nach der Implantation eines Biomaterials spielt die unweigerlich ausgelöste erste Immunreaktion eine Schlüsselrolle für den Erfolg eines Transplantats, wobei Immunzellen wie Neutrophile oder Makrophagen eine entscheidende Rolle spielen. Makrophagen können zur Immobilisierung und zum Abtöten von Mikroorganismen extrazelluläre Fasern (ETs) produzieren. Während in früheren Arbeiten nachgewiesen werden konnte, dass Neutrophile als Reaktion auf Biomaterialien ETs produzieren können, wurde dieser Mechanismus für Makrophagen erstmals in der vorliegenden Doktorarbeit gezeigt. Die ET-Freisetzung wurde von mineralischen Nanopartikeln ausgelöst, welche durch die Bindung von Phosphat- und Calciumionen an menschliches Thrombozytenlysat gebildet wurden. Insbesondere die Inkubation von  TCP Proben in lysathaltigem Zellkulturmedium führte zu einer ausgeprägten Partikelformierung und schließlich zu einer verstärkten Bildung von ETs. Dies ging mit einer erhöhten Freisetzung von pro-inflammatorischen Zytokinen im Vergleich zu CDHA einher. An diese Arbeit anschließende Experimente könnten beispielsweise die Wiederholung von systematischen Studien, wie sie in Kapitel 3 für Biopolymere vorgestellt wurden, mit synthetischen Polymeren wie Polyvinylalkohol (PVA) umfassen. PVA ist ein für den Einsatz als Kryoprotektor vielversprechendes Material, dessen Verwendung für die Kryokonservierung von biologischen Materialien zwingend notwendig ist. Darüber hinaus wäre die Durchführung von in vivo Experimenten erforderlich, um die starke Freisetzung von ETs durch Makrophagen als Reaktion auf strukturierte -TCP Scaffolds sowie die geringere Expression auf CDHA Scaffolds eingehender zu analysieren. KW - Freezing KW - Morphology KW - Unidirectional Freezing KW - Anisotropic structures KW - Calcium phosphate-based biomaterials KW - Macrophage extracellular traps KW - Gefrierstrukturierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277281 ER - TY - THES A1 - Pinzner, Florian T1 - Vicinal and Double Chemoselective Biofunctionalization of Polyoxazolines T1 - Vicinale und doppelt chemoselektive Biofunktionalisierung von Polyoxazolinen N2 - In this work, a toolbox was provided to create three-component polymer conjugates with a defined architecture, designed to bear different biocomponents that can interact with larger biological systems in biomacromolecular recognition experiments. The target architecture is the attachment of two biomolecule ‘arms’ to the alpha telechelic end point of a polymer and fixating the conjugate to the gold surface of SAW and SPR sensor chips with the polymer’s other omega chain end. This specific design of a conjugate will be implemented by using a strategy to yield novel double alpha as well as omega telechelic functionalized POx and the success of all cascade reaction steps leading to the final conjugation product will be proven through affinity measurements between covalently bound mannose and ConA. All reactions were performed on a low molecular model level first and then transferred to telechelic and also side chain functionalized polymer systems. N2 - In der vorliegenden Arbeit wurden hydrophile Polymere und Biomakromoleküle chemoselektiv und vicinal miteinander an einer Bindungsstelle verknüpft. Die Kombination der Native Chemical Ligation (NCL) mit der Thiol–En-Reaktion stellte hierfür eine geeignete Methode dar. Ein Machbarkeitsbeweis wurde anhand einer niedermolekularen Modellreaktion erbracht und nachfolgend unter der Verwendung von Polyoxazolinen auf makromolekulare Polymersysteme übertragen. Die erfolgreiche Darstellung der Konjugate wurde durch biomakromolekulare Bindungsaffinitäts-Messungen zu dem Lektin ConA bestätigt. KW - Polyoxazoline KW - Polyoxazolines Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229758 ER -