Tomasz Jüngst

• Biofabrication is an advancing new research field that might, one day, lead to complex products like tissue replacements or tissue analogues for drug testing. Although great progress was made during the last years, there are still major hurdles like new types of materials and advanced processing techniques. The main focus of this thesis was to help overcoming this hurdles by challenging and improving existing fabrication processes like extrusion-based bioprinting but also by developing new techniques. Furthermore, this thesis assisted inBiofabrication is an advancing new research field that might, one day, lead to complex products like tissue replacements or tissue analogues for drug testing. Although great progress was made during the last years, there are still major hurdles like new types of materials and advanced processing techniques. The main focus of this thesis was to help overcoming this hurdles by challenging and improving existing fabrication processes like extrusion-based bioprinting but also by developing new techniques. Furthermore, this thesis assisted in designing and processing materials from novel building blocks like recombinant spider silk proteins or inks loaded with charged nanoparticles. A novel 3D printing technique called Melt Electrospinning Writing (MEW) was used in Chapter 3 to create tubular constructs from thin polymer fibers (roughly 12 μm in diameter) by collecting the fibers onto rotating and translating cylinders. The main focus was put on the influence of the collector diameter and its rotation and translation on the morphology of the constructs generated by this approach. In a first step, the collector was not moving and the pattern generated by these settings was analyzed. It could be shown that the diameter of the stationary collectors had a big impact on the morphology of the constructs. The bigger the diameter of the mandrel (smallest collector diameters 0.5 mm, biggest 4.8 mm) got, the more the shape of the generated footprint converged into a circular one known from flat collectors. In a second set of experiments the mandrels were only rotated. Increasing the rotational velocity from 4.2 to 42.0 rpm transformed the morphology of the constructs from a figure-of-eight pattern to a sinusoidal and ultimately to a straight fiber morphology. It was possible to prove that the transformation of the pattern was comparable to what was known from increasing the speed using flat collectors and that at a critical speed, the so called critical translation speed, straight fibers would appear that were precisely stacking on top of each other. By combining rotation and translation of the mandrel, it was possible to print tubular constructs with defined winding angles. Using collections speeds close to the critical translation speed enabled higher control of fiber positioning and it was possible to generate precisely stacked constructs with winding angles between 5 and 60°. In Chapter 4 a different approach was followed. It was based on extrusion-based bioprinting in combination with a hydrogel ink system. The ink was loaded with nanoparticles and the nanoparticle release was analyzed. In other words, two systems, a printable polyglycidol/hyaluronic acid ink and mesoporous silica nanoparticles (MSN), were combined to analyze charge driven release mechanism that could be fine-tuned using bioprinting. Thorough rheological evaluations proved that the charged nanoparticles, both negatively charged MSN-COOH and positively charged MSN-NH2, did not alter the shear thinning properties of the ink that revealed a negative base charge due to hyaluronic acid as one of its main components. Furthermore, it could be shown that the particles did also not have a negative effect on the recovery properties of the material after exposure to high shear. During printing, the observations made via rheological testing were supported by the fact that all materials could be printed at the same settings of the bioprinter. Using theses inks, it was possible to make constructs as big as 12x12x3 mm3 composed of 16 layers. The fiber diameters produced were about 627±31 μm and two-component constructs could be realized utilizing the two hydrogel print heads of the printer to fabricate one hybrid construct. The particle distribution within those constructs was homogeneous, both from a microscopic and a macroscopic point of view. Particle release from printed constructs was tracked over 6 weeks and revealed that the print geometry had an influence on the particle release. Printed in a geometry with direct contact between the strands containing different MSN, the positively charged particles quickly migrated into the strand previously containing only negatively charged MSN-COOH. The MSN-COOH seemed to be rather released into the surrounding liquid and also after 6 weeks no MSN-COOH signal could be detected in the strand previously only containing MSN-NH2. In case of a geometry without direct contact between the strands, the migration of the positively charged nanoparticles into the MSN-COOH containing strand was strongly delayed. This proved that the architecture of the printed construct can be used to fine-tune the particle release from nanoparticle containing printable hydrogel ink systems. Chapter 5 discusses an approach using hydrogel inks based on recombinant spider silk proteins processed via extrusion-based bioprinting. The ink could be applied for printing at protein concentrations of 3 % w/v without the addition of thickeners or any post process crosslinking. Both, the recombinant protein eADF4(C16) and a modification introducing a RGD-sequence to the protein (eADF4(C16)-RGD), could be printed revealing a very good print fidelity. The RGD modification had positive effect on the adhesion of cells seeded onto printed constructs. Furthermore, human fibroblasts encapsulated in the ink at concentrations of 1.2 million cells per mL did not alter the print fidelity and did not interfere with the crosslinking mechanism of the ink. This enabled printing cell laden constructs with a cell survival rate of 70.1±7.6 %. Although the cell survival rate needs to be improved in further trials, the approach shown is one of the first leading towards the shift of the window of biofabrication because it is based on a new material that does not need potentially harmful post-process crosslinking and allows the direct encapsulation of cells staying viable throughout the print process.…
• Die Biofabrikation ist ein junges und sehr dynamisches Forschungsgebiet mit viel Potential. Dieses Potential spiegelt sich unter anderem in den ambitionierten Zielen wieder, die man sich hier gesetzt hat. Wissenschaftler in diesem Gebiet wollen eines Tages beispielsweise funktionale menschliche Gewebe nachbilden, die aus patienteneigenen Zellen bestehen. Diese Gewebe sollen entweder für die Testung neuer Arzneimittel und Therapien oder sogar als Implantate einsetzt werden. Der Schlüssel zum Erfolg soll hier die Verwendung automatisierterDie Biofabrikation ist ein junges und sehr dynamisches Forschungsgebiet mit viel Potential. Dieses Potential spiegelt sich unter anderem in den ambitionierten Zielen wieder, die man sich hier gesetzt hat. Wissenschaftler in diesem Gebiet wollen eines Tages beispielsweise funktionale menschliche Gewebe nachbilden, die aus patienteneigenen Zellen bestehen. Diese Gewebe sollen entweder für die Testung neuer Arzneimittel und Therapien oder sogar als Implantate einsetzt werden. Der Schlüssel zum Erfolg soll hier die Verwendung automatisierter Prozesse in Verbindung mit innovativen Materialien sein, die es ermöglichen, die Hierarchie und Funktion des zu ersetzenden natürlichen Gewebes nachbilden. Obwohl in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht worden sind, gibt es immer noch Hürden, die überwunden werden müssen. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die derzeit eingeschränkte Auswahl kompatibler Materialien für die Biofabrikation zu erweitern und bereits etablierte Verfahren wie den extrusionsbasierten Biodruck noch besser verstehen zu lernen. Auch neue Verfahren, wie etwa das Melt Electrospinning Writing (MEW) sollten etabliert werden. In Kapitel 3 dieser Arbeit wurde das MEW dazu verwendet, tubuläre Strukturen zu fertigen, die sich aus Polymerfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von nur etwa 12 μm zusammensetzen. Die mit Hilfe von Druckluft in Verbindung mit einer hohen elektrischen Spannung aus einer Nadelspitze austretende Polymerschmelze wurde hierbei auf zylinderförmigen Kollektoren mit Durchmessern zwischen 0.5 und 4.8mm gesammelt. Auf diese Weise wurden röhrenförmige Faserkonstrukte generiert. Das Hauptaugenmerk lag auf dem Einfluss des Durchmessers, der Rotations- und Translationsbewegung des Kollektors auf die Morphologie der Faserkonstrukte. Hierzu wurden die Fasern erst auf unbewegten Kollektoren mit unterschiedlichen Durchmessern gesammelt und die entstehenden Muster analysiert. Es zeigte sich, dass das Fasermuster mit zunehmendem Durchmesser des Kollektors mehr den symmetrischen Konstrukten mit runder Grundfläche glich, die auch von flachen Kollektoren bekannt sind. Je kleiner der Kollektordurchmesser wurde, desto ovaler wurde die Grundfläche der Muster, was den Einfluss der Krümmung deutlich machte. In weiteren Experimenten wurden die zylindrischen Kollektoren mit Geschwindigkeiten von 4,2 bis 42 Umdrehungen pro Minute um ihre Längsachse gedreht. Die von flachen Kollektoren bekannten Übergänge der Fasermorphologie konnten auch für runde Kollektoren bestätigt werden. So änderte sich die Morphologie mit zunehmender Geschwindigkeit der Oberfläche von einer achterförmigen Gestalt über eine sinusförmige Ausrichtung der Fasern hin zu einer geraden Linie. Der Einfluss des Kollektordurchmessers wurde auch hier deutlich, da sich etwa die Amplitude der bei Rotationsgeschwindigkeiten im Bereich sinusförmiger Ausrichtung abgelegten Fasern mit abnehmendem Radius erhöhte. Im nächsten Schritt wurde neben der Rotation der Kollektoren auch eine Translation induziert. Durch geeignete Kombination von Rotation und Translation konnten Konstrukte mit definiertem Wickelwinkel hergestellt werden. Es zeigte sich, dass die Wiedergabe des vorher kalkulierten Winkels unter Verwendung von Oberflächengeschwindigkeiten, die nahe am Übergang zur geraden Faserausrichtung waren, am besten war. Im Rahmen dieser Arbeit konnten Winkel zwischen 5 und 60° mit hoher Präzision wiedergegeben werden. Im Falle von sich wiederholenden Mustern konnte auch in Bezug auf die Stapelbarkeit der Fasern aufeinander eine hohe Präzision erreicht werden. Kapitel 4 dieser Arbeit befasste sich mit dem extrusionsbasierten 3D-Druck. Das etabliere Verfahren wurde auf eine bisher wenig untersuchte Materialzusammensetzung von Nanopartikeln-beladenen Hydrogeltinten ausgeweitet. Die Tinte bestand aus einer Kombination von funktionalisierten Polyglyzidolen und einer unmodifizierten langkettingen Hyaluronsäure. Dieser wurden mesoporöse Silika-Nanopartikel mit unterschiedlicher Ladung zugesetzt und deren Freisetzung aus gedruckten Konstrukten mit einstellbarer Geometrien untersucht. Da die Hyaluronsäure selbst negativ geladen ist, wurde erwartet und auch gezeigt, dass aminofunktionalisierte Partikel mit positiver Ladung langsamer freigesetzt werden als carboxylfunktionalisierte Partikel mit negativer Ladung. Interessanterweise änderten die Partikel nicht die rheologischen Eigenschaften der Tinte und es konnten Hydrogele, die mit positiv geladenen Partikeln beladen waren, bei den gleichen Druckparametern verdruckt werden, wie Hydrogele, die mit negativ geladenen Partikeln beladen waren. Die guten Druckeigenschaften der Tinten ermöglichten die präzise Fertigung von Konstrukten mit einer Größe von 12x12x3mm^3, also von Konstrukten mit bis zu 16 aufeinanderfolgenden Lagen. Die Strangdurchmesser betrugen hierbei 627±31μm und die Verteilung der Partikel innerhalb der Stränge war sehr homogen. Zudem konnten auch Strukturen gedruckt werden, bei denen beide Tintenarten, mit positiven und mit negativen Partikeln beladene Hydrogele, in einem Konstrukt kombiniert wurden. Hierbei zeigte sich, dass die Freisetzung der Partikel, die über 6 Wochen hinweg untersucht wurde, auch stark von der Geometrie der zwei-Komponenten-Konstrukte abhing. Insbesondere die Auswirkung des direkten Kontakts zwischen den Komponenten innerhalb eines Konstruktes war hier sehr deutlich. Wurden die Stränge über Kreuz aufeinander abgelegt und hatten direkten Kontakt an den Kreuzungspunkten, konnte beobachtet werden, dass die positiv geladenen Partikel aus ihrem System in das mit den negativ geladenen Partikeln wanderten. Wurden die Stränge ohne direkten Kontakt parallel nebeneinander abgelegt, wurden die positiv geladenen Partikel in umgebendes Medium freigesetzt, konnten aber selbst nach 6 Wochen nicht in den Strängen mit den negativ geladenen Partikeln nachgewiesen werden. Dies verdeutlicht, dass Geometrie und Ladung der Partikel einen Einfluss auf die Freisetzung der Partikel hatten und sich die Freisetzung der Partikel durch eine geschickte Kombination beider Parameter steuern lässt. In Kapitel 5 dieser Arbeit wurde eine neue Materialklasse als Biotinte für den extrusionsbasierten Biodruck untersucht. Bei dem Material handelte es sich um Hydrogele auf Basis rekombinanter Spinnenseidenproteine. Diese konnten ab einer Proteinkonzentration von 3 %Gew./Vol. ohne die Verwendung von Verdickungsmittel oder anderen Additiven und auch ohne eine nachträgliche Vernetzung verdruckt werden. Sowohl Hydrogele auf Basis des rekombinanten Proteins eADF4(C16) als auch eine mit einer RGD-Sequenz versehene Modifikation (eADF4(C16)-RGD) konnten mit einer hohen Formtreue verdruckt werden. Die RGD-Sequenz zeigte einen positiven Effekt auf das Anhaften von humanen Fibroblasten, die auf gedruckte Konstrukte ausgesät wurden. Zudem konnten mit Hilfe der Hydrogele auch zellbeladene Konstrukte gefertigt werden. Hierzu wurden die Hydrogele mit einer Zellsuspension so vermengt, dass eine finale Konzentration von 1,2 Millionen Zellen/ml erreicht wurde. Die beladenen Gele wurden verdruckt und es konnte eine Überlebensrate von 70,1±7,6% nachgewiesen werden. Das in diesem Kapitel etablierte Materialsystem ermöglichte zum ersten Mal das Verdrucken lebender Zellen in einer neuen Klasse von Tinten, die weder die Beimengung von Verdickungsmittel noch einen zusätzlichen Nachhärtungsschritt für die Herstellung zellbeladener stabiler Konstrukte benötigt.…