Thomas Lorson

• Motivated by the great potential which is offered by the combination of additive manufacturing and tissue engineering, a novel polymeric bioink platform based on poly(2 oxazoline)s was developed which might help to further advance the young and upcoming field of biofabrication. In the present thesis, the synthesis as well as the characteristics of several diblock copolymers consisting of POx and POzi have been investigated with a special focus on their suitability as bioinks. In general, the copolymerization of 2-oxazolines and 2-oxazinesMotivated by the great potential which is offered by the combination of additive manufacturing and tissue engineering, a novel polymeric bioink platform based on poly(2 oxazoline)s was developed which might help to further advance the young and upcoming field of biofabrication. In the present thesis, the synthesis as well as the characteristics of several diblock copolymers consisting of POx and POzi have been investigated with a special focus on their suitability as bioinks. In general, the copolymerization of 2-oxazolines and 2-oxazines bearing different alkyl side chains was demonstrated to yield polymers in good agreement with the degree of polymerization aimed for and moderate to low dispersities. For every diblock copolymer synthesized during the present study, a more or less pronounced dependency of the dynamic viscosity on temperature could be demonstrated. Diblock copolymers comprising a hydrophilic PMeOx block and a thermoresponsive PnPrOzi block showed temperature induced gelation above a degree of polymerization of 50 and a polymer concentration of 20 wt%. Such a behavior has never been described before for copolymers solely consisting of poly(cyclic imino ether)s. Physically cross linked hydrogels based on POx b POzi copolymers exhibit reverse thermal gelation properties like described for solutions of PNiPAAm and Pluronic F127. However, by applying SANS, DLS, and SLS it could be demonstrated that the underlying gel formation mechanism is different for POx b POzi based hydrogels. It appears that polymersomes with low polydispersity are formed already at very low polymer concentrations of 6 mg/L. Increasing the polymer concentration resulted in the formation of a bicontinuous sponge like structure which might be formed due to the merger of several vesicles. For longer polymer chains a phase transition into a gyroid structure was postulated and corresponds well with the observed rheological data. Stable hydrogels with an unusually high mechanical strength (G’ ~ 4 kPa) have been formed above TGel which could be adjusted over a range of 20 °C by changing the degree of polymerization if maintaining the symmetric polymer architecture. Variations of the chain ends revealed only a minor influence on TGel whereas the influence of the solvent should not be neglected as shown by a comparison of cell culture medium and MilliQ water. Rotationally as well as oscillatory rheological measurements revealed a high suitability for printing as POx b POzi based hydrogels exhibit strong shear thinning behavior in combination with outstanding recovery properties after high shear stress. Cell viability assays (WST-1) of PMeOx b PnPrOzi copolymers against NIH 3T3 fibroblasts and HaCat cells indicated that the polymers were well tolerated by the cells as no dose-dependent cytotoxicity could be observed after 24 h at non-gelling concentrations up to 100 g/L. In summary, copolymers consisting of POx and POzi significantly increased the accessible range of properties of POx based materials. In particular thermogelation of aqueous solutions of diblock copolymers comprising PMeOx and PnPrOzi was never described before for any copolymer consisting solely of POx or POzi. In combination with other characteristics, e.g. very good cytocompatibility at high polymer concentrations and comparably high mechanical strength, the formed hydrogels could be successfully used for 3D bioprinting. Although the results appear promising and the developed hydrogel is a serious bioink candidate, competition is tough and it remains an open question which system or systems will be used in the future.…
• Motiviert durch das große Potential, das die Kombination aus additiver Fertigung und künstlicher Geweberegeneration bietet, wurde eine neuartige polymerbasierte Biotintenplattform auf Basis von Poly(2 oxazolin)en entwickelt. Diese soll zukünftig dazu beitragen das noch junge, aber aufstrebende Forschungsfeld der Biofabrikation weiterzuentwickeln. In der vorliegenden Arbeit wurden die Synthese sowie die Eigenschaften von mehreren Diblock Copolymeren, bestehend aus POx und POzi, untersucht, wobei der Hauptfokus auf deren Eignung als BiotinteMotiviert durch das große Potential, das die Kombination aus additiver Fertigung und künstlicher Geweberegeneration bietet, wurde eine neuartige polymerbasierte Biotintenplattform auf Basis von Poly(2 oxazolin)en entwickelt. Diese soll zukünftig dazu beitragen das noch junge, aber aufstrebende Forschungsfeld der Biofabrikation weiterzuentwickeln. In der vorliegenden Arbeit wurden die Synthese sowie die Eigenschaften von mehreren Diblock Copolymeren, bestehend aus POx und POzi, untersucht, wobei der Hauptfokus auf deren Eignung als Biotinte lag. Grundsätzlich konnte gezeigt werden, dass Copolymere, bestehend aus 2 Oxazolinen und 2 Oxazinen, die unterschiedliche Alkylseitenketten besitzen, synthetisiert werden können. Dabei lagen die ermittelten Polymerisationsgrade nahe am zuvor errechneten Wert. Die Polymere wiesen mittlere bis niedrigere Dispersitäten auf. Für jedes der im Rahmen der vorliegenden Arbeit synthetisierten Diblock Copolymere konnte eine mehr oder weniger starke Abhängigkeit der dynamischen Viskosität von der Temperatur gezeigt werden. Allerdings ist es nicht möglich, aus den thermischen Eigenschaften des Bulkmaterials Rückschlüsse auf das temperaturabhängige Verhalten in Lösung zu ziehen. Diblock Copolymere mit einem hydrophilen PMeOx Block und einem thermoresponsiven PnPrOzi Block bildeten oberhalb einer Kettenlänge von 50 Einheiten und einer Polymerkonzentration von 20 Gew% ein physikalisches Gel. Solch ein Verhalten wurde bisher noch nicht für Copolymere, die ausschließlich auf POx oder seinen höheren Homologen basieren, beschrieben. Physikalische Hydrogele, basierend auf POx b POzi Copolymeren, weisen eine umgekehrte thermische Gelierung wie auch wässrige Lösungen von PNiPAAm und Pluronic F127 auf. Allerdings konnte durch die komplementäre Verwendung von SANS, DLS und SLS gezeigt werden, dass sich der zugrundeliegende Gelbildungsmechanismus für POx b POzi basierte Hydrogele deutlich von den beiden zuvor genannten unterscheidet. Es wird davon ausgegangen, dass sich zunächst bei einer sehr geringen Polymerkonzentration von 6 mg/L Vesikel mit geringer Polydispersität ausbilden. Eine Erhöhung der Konzentration resultiert in der Ausbildung eines bikontinuierlichen Netzwerks mit schwammartiger Struktur. Dieses bildet sich vermutlich durch die Fusion mehrerer Vesikel. Des Weiteren wird für höhere Polymerisationsgrade ein Phasenübergang zu einer gyroidalen Struktur postuliert der sich sehr gut mit den gewonnenen rheologischen Daten deckt. Stabile Hydrogele mit außergewöhnlich hoher mechanischer Stärke (G‘ ≈ 4kPa) bildeten sich oberhalb der Tgel, die über eine Temperaturspanne von 20 °C durch Änderung des Polymerisationsgrades eingestellt werden konnte. Veränderung der Kettenenden zeigten nur einen geringen Einfluss auf die TGel, wobei der Einfluss des verwendeten Lösemittels nicht unterschätzt werden sollte. Dies konnte durch den direkten Vergleich von MilliQ Wasser und Zellkulturmedium gezeigt werden. Rheologische Untersuchungen, die sowohl im rotierenden als auch im oszillierenden Modus durchgeführt wurden, zeigten eine gute Eignung der POx b POzi basierten Hydrogele für Extrusion basierte Druckverfahren. Insbesondere aufgrund des stark ausgeprägten scherverdünnenden Verhaltens und der ausgezeichneten Strukturerholung nach hoher Scherbelastung sollten gute Druckergebnisse erzielbar sein. Zellviabilität-Assays (WST-1) von PMeOx b PnPrOzi Copolymeren an NIH 3T3 Fibroblasten und HaCat-Zellen zeigten, dass die Polymere bei Konzentrationen von bis zu 100 g/L und Inkubationszeiten von 24 h keine dosisabhängige Zytotoxizität besitzen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Copolymerisation von POx und POzi den verfügbaren Eigenschaftsbereich von POx basierten Materialien deutlich vergrößert hat. Insbesondere die temperaturinduzierte Gelierung von wässrigen Polymerlösungen wurde noch nie zuvor für ein anderes Copolymer auf Basis von POx und POzi beschrieben. Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften, wozu unter anderem eine sehr gute Zytokompatibilität bei hohen Polymerkonzentrationen und eine vergleichsweise hohe mechanische Festigkeit zählen, konnten die entwickelten Hydrogele erfolgreich für den 3D Biodruck verwendet werden. Obwohl die beschriebenen Ergebnisse sehr vielversprechend sind und die entwickelte Hydrogelplattform folglich als ernstzunehmender Biotintenkandidat angesehen werden sollte, ist die Konkurrenz sehr groß und es bleibt abzuwarten, welche Tinte bzw. Tinten in Zukunft zum Einsatz kommen.…