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In vitro models mimic the tissue-specific anatomy and play essential roles in personalized medicine and disease treatments. As a sophisticated manufacturing technology, 3D printing overcomes the limitations of traditional technologies and provides an excellent potential for developing in vitro models to mimic native tissue. This thesis aims to investigate the potential of a high-resolution 3D printing technology, melt electrowriting (MEW), for fabricating in vitro models. MEW has a distinct capacity for depositing micron size fibers with a defined design. In this thesis, three approaches were used, including 1) extending the MEW polymer library for different biomedical applications, 2) developing in vitro models for evaluation of cell growth and migration toward the different matrices, and 3) studying the effect of scaffold designs and biochemical cues of microenvironments on cells.
First, we introduce the MEW processability of (AB)n and (ABAC)n segmented copolymers, which have thermally reversible network formulation based on physical crosslinks. Bisurea segments are combined with hydrophobic poly(dimethylsiloxane) (PDMS) or hydrophilic poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide) (PPO-PEG-PPO) segments to form the (AB)n segmented copolymers. (ABAC)n segmented copolymers contain all three segments: in addition to bisurea, both hydrophobic and hydrophilic segments are available in the same polymer chain, resulting in tunable mechanical and biological behaviors. MEW copolymers either support cells attachment or dissolve without cytotoxic side effects when in contact with the polymers at lower concentrations, indicating that this copolymer class has potential in biological applications. The unique biological and surface properties, transparency, adjustable hydrophilicity of these copolymers could be beneficial in several in vitro models.
The second manuscript addresses the design and development of a melt electrowritten competitive 3D radial migration device. The approach differs from most of the previous literature, as MEW is not used here to produce cell invasive scaffolds but to fabricate an in vitro device. The device is utilized to systematically determine the matrix which promotes cell migration and growth of glioblastoma cells. The glioblastoma cell migration is tested on four different Matrigel concentrations using a melt electrowritten radial device. The glioblastoma U87 cell growth and migration increase at Matrigel concentrations 6 and 8 mg mL-1 In the development of this radial device, the accuracy, and precision of melt electrowritten circular shapes were investigated. The results show that the printing speed and design diameter are essential parameters for the accuracy of printed constructs. It is the first instance where MEW is used for the production of in vitro devices.
The influence of biochemical cues and scaffold designs on astrocytes and glioblastoma is investigated in the last manuscript. A fiber comprising the box and triangle-shaped pores within MEW scaffolds are modified with biochemical cues, including RGD and IKVAV peptides using a reactive NCO-sP(EO-stat-PO) macromer. The results show that astrocytes and glioblastoma cells exhibit different phenotypes on scaffold designs and peptide-coated scaffolds.
Einleitung: Das Erlernen neuer Präparationsarten ist nicht einfach, insbesondere bei Präparationen, die hohe technische Anforderungen stellen und deren Form sich von konventionellen Vollkronen unterscheidet, wie z. B. die Präparation einer Klebebrücke. Um das spätere Therapiespektrum angehender Zahnärzte zu erweitern, sollten diese eine große Anzahl verschiedener Präparationen im Studium erlernen. Im Studentenalltag bleibt oft keine Zeit für lange Erklärungen und exemplarische Präparationen. Deshalb wurde die "Malen-nach-Zahlen-Methode" entwickelt, um den Studenten das Erlernen neuer Präparationen zu erleichtern.
Materialien und Methoden: Nach der Erstellung der Druckdatei für den Übungszahn wurden diese mit einem Stereolithographie-Drucker hergestellt. Der Übungszahn bestand aus zwei unterschiedlich farbigen Schichten mit einer integrierten Präparation. Die Schicht, die zum Erreichen der Zielpräparation entfernt werden musste, war schwarz und sollte den Studenten das Ausmaß und die Dicke der Präparation zeigen. 42 Zahnmedizinstudenten ab dem vierten Studienjahr nahmen an einem freiwilligen Praktikum teil. Die Studenten wurden nach dem Zufallsprinzip in zwei gleich große Gruppen eingeteilt. Eine Gruppe übte mit den "Malen nach Zahlen" Zähnen, die andere mit Standardmodellzähnen. Trotzdem hatte jeder Student die Möglichkeit, die neuen gedruckten Zähne zu testen. Die Studenten hatten bereits Erfahrung mit anderen Standardmodell- und echten Zähnen. Die gedruckten Zähne wurden mit einem Fragebogen mit Schulnoten von 1 bis 6 bewertet. In einem zweiten Teil wurden die präparierten Zähne der Schüler eingescannt und mit Hilfe einer 3D-Auswertungssoftware mit dem idealen präparierten Zahn verglichen. So konnte die "Malen-nach-Zahlen-Methode" mit herkömmlichen Unterrichtsmethoden verglichen werden.
Ergebnisse: Die Herstellung der Zähne zum Erlernen der Präparation einer Klebebrücke war einfach und kostengünstig. Insgesamt bewerteten die Studenten die Zähne mit 1,9 und die Lehrmethode als positiv. Das Zahnmodell wurde insgesamt mit 1,9 bewertet. Es unterstützte die Studierenden dabei, die Zielpräparation zu visualisieren und durch die Kontrolle mit der eigenen Arbeit eine Selbsteinschätzung zu entwickeln. Auch wenn die Studierenden ihren Lernerfolg und Lernprozess mit den 3D-gedruckten Zähnen als besser einschätzten, konnte kein signifikanter Unterschied bei der späteren Auswertung der Zähne festgestellt werden. Die Studenten wünschten sich eine stärkere Integration der gedruckten Zähne in den Präparationsunterricht und äußerten in den Freitextfragen, dass sie Vorteile in Bezug auf Unabhängigkeit, Kosten und Individualisierung der zahnmedizinischen Ausbildung sehen.
Schlussfolgerungen: Es hat sich gezeigt, dass die Methode "Malen nach Zahlen" geeignet ist, neue Präparationen wie eine Klebebrücke zu lehren. Die farbkodierte integrierte Präparation in den gedruckten Zähnen und das gedruckte Zahnmodell ermöglichten es den Studenten, die Präparation einer Adhäsivbrücke selbstständig und mit geringem Aufwand zu erlernen.
71 Studierende nahmen am Universitätsklinikum Würzburg in der Abteilung für Zahnärztliche Prothetik an einem freiwilligen Übungsseminar zum Aufpassen von Kronen mit Störstellen, die im 3D-Druckverfahren hergestellt wurden, teil. Das Übungsseminar fand an zwei Terminen statt. Zum Identifizieren der Störstellen standen Xantopren und Okklusionsspray zur Verfügung. Nach dem praktischen Teil der Übung wurde ein Fragebogen ausgefüllt. Zusätzlich wurden die aufgepassten Kronen mittels Laborscanner digitalisiert und mit einer Krone ohne Störstellen überlagert. Dadurch konnten positive und negative Oberflächenabweichungen für die Bereiche der Störstellen sowie der Gesamtinnenfläche der Kronen ermittelt werden.
Die flächenbezogenen Abweichungswerte zeigten einen signifikanten Lernerfolg – gemessen anhand der Passungsparameter - zwischen den beiden Terminen des Übungsseminars. Hierbei erreichten Kronen, die mit Okklusionsspray aufgepasst wurden, signifikant geringere flächenbezogene Abweichungswerte im Vergleich zu Kronen, die mit Xantopren aufgepasst wurden.
Die Auswertung der mit Schulnoten skalierten Fragen ergab signifikante Unterschiede bei der Bewertung der Härte, eines realitätsnahen Gefühls beim Einschleifen bzw. beim Aufpassen und Details wie Randschluss. Beim Vergleich der Aufpassmethoden im Fragebogen ergaben die Einfachheit beim Aufpassen, das Identifizieren der Störstellen und das präferierte Material signifikante Unterschiede. Der subjektive Lernerfolg mit den Materialien zeigte ebenfalls signifikante Unterschiede. Insbesondere die Materialeigenschaften und die Randgenauigkeit der Druckkronen wurden häufig kritisiert, die schnelle und einfache Möglichkeit zur Herstellung von Übungsmaterialien sowie deren Reproduzierbarkeit wurden von den Studierenden hingegen begrüßt.
Articular cartilage is a highly specialized tissue which provides a lubricated gliding surface in joints and thereby enables low-friction movement. If damaged once it has a very low intrinsic healing capacity and there is still no treatment in the clinic which can restore healthy cartilage tissue. 3D biofabrication presents a promising perspective in the field by combining healthy cells and bioactive ink materials. Thereby, the composition of the applied bioink is crucial for defect restoration, as it needs to have the physical properties for the fabrication process and also suitable chemical cues to provide a supportive environment for embedded cells. In the last years, ink compositions with high polymer contents and crosslink densities were frequently used to provide 3D printability and construct stability. But these dense polymeric networks were often associated with restricted bioactivity and impaired cell processes like differentiation and the distribution of newly produced extracellular matrix (ECM), which is especially important in the field of cartilage engineering. Therefore, the aim of this thesis was the development of hyaluronic acid (HA)-based bioinks with a reduced polymer content which are 3D printable and additionally facilitate chondrogenic differentiation of mesenchymal stromal cells (MSCs) and the homogeneous distribution of newly produced ECM. Starting from not-printable hydrogels with high polymer contents and restricted bioactivity, distinct stepwise improvements were achieved regarding stand-alone 3D printability as well as MSC differentiation and homogeneous ECM distribution. All newly developed inks in this thesis made a valuable contribution in the field of cartilage regeneration and represent promising approaches for potential clinical applications. The underlying mechanisms and established ink design criteria can further be applied to other biofabricated tissues, emphasizing their importance also in a more general research setting.
Die „Malen nach Zahlen“ Methode zur Verbesserung der Präparation einer Vollgusskrone der Studenten
(2021)
Einleitung: Es gibt derzeit keine kommerziell erhältliche Lösung zur Verbesserung des Erlernens einer Kronenpräparation an Modellzähnen. Um diese Lücke zu schließen und die Betreuer von zahnmedizinischen Kursen zu unterstützen, wurde ein druckbarer und kostengünstiger Zahn zur strukturierten Selbsteinschätzung entwickelt. Das Ziel dieser Studie war es, diesen druckbaren Zahn unter realistischen vorklinischen Situationen zu testen. Materialien und Methoden: Es wurde ein zweifarbiger, zweischichtiger Übungszahn entwickelt. Dieser Zahn bestand aus einer korrekten Präparationsschicht und der Zahnkrone. Alle gedruckten Zähne wurden mit einem Stereolithografiedrucker hergestellt. 35 freiwillige Zahnmedizinstudenten des zweiten vorklinischen Kurses im zweiten Jahr, wurden nach dem Zufallsprinzip in zwei Gruppen aufgeteilt. Alle Studenten hatten Erfahrung mit Modellzähnen. Die erste Gruppe trainierte an vier Standard-Modellzähnen. Die zweite Gruppe verwendete Modellzähne für den ersten und vierten Versuch und gedruckte Zähne für den zweiten und dritten Versuch. Die Präparationen der Studenten wurden mit einem In-Lab-Scanner gescannt und die Oberflächenabweichungen im Gegensatz zu einer perfekten Präparation gemessen. Die Unterschiede zwischen dem ersten und vierten Versuch wurden berechnet. Der Nutzen des gedruckten Zahnes wurde durch einen Fragebogen mit deutschen Schulnoten von den Studierenden bewertet (1 = Ausgezeichnet, 2 = Gut, 3 = Befriedigend, 4 = Ausreichend, 5 = Schlecht, 6 = Unbefriedigend). Ergebnisse: Der Arbeitsablauf war praktikabel und kostengünstig in der Herstellung der der gedruckten Zähne. Die Gesamtbewertung des gedruckten Zahns im Fragebogen war gut (Ø 2,1 ± 0,22). Die Studenten berichteten verschiedene Vorteile dieser Methode im Freitext. Der Vergleich der Präparation zwischen dem ersten und vierten Versuch zeigte, dass mit den gedruckten Zähnen eine signifikant bessere Präparation erreicht wurde. Die vollständige Präparation hatte Medianwerte von 0,05 mm (Gruppe1: Standardmodellzahn) und -0,03 mm (Gruppe2: gedruckter Zahn) (P = .005). Aufgeteilt in einzelne Flächen waren die vestibulären und okklusalen Bereiche signifikant besser. Für die vestibuläre Fläche ergaben sich folgende Werte 0,11 mm (Gruppe1) und -0,04 mm (Gruppe2) (P = .018). Für die Okklusalfläche ergab sich eine Abweichung von 0,13 mm (Gruppe1) und -0,05 mm (Gruppe2) (P = .009). Schlussfolgerungen: Das Ziel dieser Studie wurde erfüllt. Der gedruckte Zahn wurde erfolgreich in einem vorklinischen Kurs getestet. Die Machbarkeit dieses Lehrkonzepts wurde durch den Fragebogen und die Analyse der Präparationsform bestätigt. Ein signifikanter Unterschied zu einem Standard-Modellzahn war messbar. Die Studenten hatten die Möglichkeit eine korrekte Kronenpräparation an einem standardisierten zweischichtigen Zahn mit eingebauter Präparation zu üben. Dieser gedruckte Zahn ermöglichte es den Studenten die Kronenpräparation selbst zu kontrollieren.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Charakterisierung vorgemischter Calciumphosphatzementpasten sowie die Übertragung des Konzepts dieser Pasten auf den 3D-Druck. Es wurden drei verschiedene Zementformulierungen untersucht, basierend auf Pulvermischungen aus α-TCP/DCPA/CaCO3 (Biozement D), TTCP/DCPA und β-TCP/MCPA, die auf verschiedene Materialeigenschaften geprüft und einem 3D-Druckversuch unterzogen wurden. Die Biozement D Paste wurde mit drei Pulver-Flüssigkeits-Verhältnissen (PLR) (80/20, 85/15, 87/13), die TTCP/DCPA Paste mit zwei PLR (83/17, 85/15), und die β-TCP/MCPA Paste ebenfalls mit zwei PLR (67/33, 70/30) getestet. Alle Pasten konnten mit dem 3D-Drucker erfolgreich verdruckt werden. Die Biozement D Paste mit dem PLR 85/15 stellte sich in ihrer Gruppe als die geeignetste Paste heraus. Bessere Ergebnisse bezüglich der Injizierbarkeit und Druckbarkeit erreichte die TTCP/DCPA Paste. Hier wurden mit beiden PLR formstabile Scaffolds erzielt. Feine Wabenmuster konnten mit dem PLR von 83/17 in Kombination mit einer hohen Druckgeschwindigkeit hergestellt werden. Mit dem höheren PLR (85/15) und einer niedrigeren Druckgeschwindigkeit stieg die Formstabilität weiter an, wodurch die hexagonale Struktur exakter gedruckt werden konnte. Ein gutes Druckergebnis konnte auch mit der β-TCP/MCPA Paste und dem PLR 70/30 erreicht werden.
Biofabrication is an advancing new research field that might, one day, lead to complex products like tissue replacements or tissue analogues for drug testing. Although great progress was made during the last years, there are still major hurdles like new types of materials and advanced processing techniques. The main focus of this thesis was to help overcoming this hurdles by challenging and improving existing fabrication processes like extrusion-based bioprinting but also by developing new techniques. Furthermore, this thesis assisted in designing and processing materials from novel building blocks like recombinant spider silk proteins or inks loaded with charged nanoparticles.
A novel 3D printing technique called Melt Electrospinning Writing (MEW) was used in Chapter 3 to create tubular constructs from thin polymer fibers (roughly 12 μm in diameter) by collecting the fibers onto rotating and translating cylinders. The main focus was put on the influence of the collector diameter and its rotation and translation on the morphology of the constructs generated by this approach. In a first step, the collector was not moving and the pattern generated by these settings was analyzed. It could be shown that the diameter of the stationary collectors had a big impact on the morphology of the constructs. The bigger the diameter of the mandrel (smallest collector diameters 0.5 mm, biggest 4.8 mm) got, the more the shape of the generated footprint converged into a circular one known from flat collectors. In a second set of experiments the mandrels were only rotated. Increasing the rotational velocity from 4.2 to 42.0 rpm transformed the morphology of the constructs from a figure-of-eight pattern to a sinusoidal and ultimately to a straight fiber morphology. It was possible to prove that the transformation of the pattern was comparable to what was known from increasing the speed using flat collectors and that at a critical speed, the so called critical translation speed, straight fibers would appear that were precisely stacking on top of each other. By combining rotation and translation of the mandrel, it was possible to print tubular constructs with defined winding angles. Using collections speeds close to the critical translation speed enabled higher control of fiber positioning and it was possible to generate precisely stacked constructs with winding angles between 5 and 60°.
In Chapter 4 a different approach was followed. It was based on extrusion-based bioprinting in combination with a hydrogel ink system. The ink was loaded with nanoparticles and the nanoparticle release was analyzed. In other words, two systems, a printable polyglycidol/hyaluronic acid ink and mesoporous silica nanoparticles (MSN), were combined to analyze charge driven release mechanism that could be fine-tuned using bioprinting. Thorough rheological evaluations proved that the charged nanoparticles, both negatively charged MSN-COOH and positively charged MSN-NH2, did not alter the shear thinning properties of the ink that revealed a negative base charge due to hyaluronic acid as one of its main components. Furthermore, it could be shown that the particles did also not have a negative effect on the recovery properties of the material after exposure to high shear. During printing, the observations made via rheological testing were supported by the fact that all materials could be printed at the same settings of the bioprinter. Using theses inks, it was possible to make constructs as big as 12x12x3 mm3 composed of 16 layers. The fiber diameters produced were about 627±31 μm and two-component constructs could be realized utilizing the two hydrogel print heads of the printer to fabricate one hybrid construct. The particle distribution within those constructs was homogeneous, both from a microscopic and a macroscopic point of view. Particle release from printed constructs was tracked over 6 weeks and revealed that the print geometry had an influence on the particle release. Printed in a geometry with direct contact between the strands containing different MSN, the positively charged particles quickly migrated into the strand previously containing only negatively charged MSN-COOH. The MSN-COOH seemed to be rather released into the surrounding liquid and also after 6 weeks no MSN-COOH signal could be detected in the strand previously only containing MSN-NH2. In case of a geometry without direct contact between the strands, the migration of the positively charged nanoparticles into the MSN-COOH containing strand was strongly delayed. This proved that the architecture of the printed construct can be used to fine-tune the particle release from nanoparticle containing printable hydrogel ink systems.
Chapter 5 discusses an approach using hydrogel inks based on recombinant spider silk proteins processed via extrusion-based bioprinting. The ink could be applied for printing at protein concentrations of 3 % w/v without the addition of thickeners or any post process crosslinking. Both, the recombinant protein eADF4(C16) and a modification introducing a RGD-sequence to the protein (eADF4(C16)-RGD), could be printed revealing a very good print fidelity. The RGD modification had positive effect on the adhesion of cells seeded onto printed constructs. Furthermore, human fibroblasts encapsulated in the ink at concentrations of 1.2 million cells per mL did not alter the print fidelity and did not interfere with the crosslinking mechanism of the ink. This enabled printing cell laden constructs with a cell survival rate of 70.1±7.6 %. Although the cell survival rate needs to be improved in further trials, the approach shown is one of the first leading towards the shift of the window of biofabrication because it is based on a new material that does not need potentially harmful post-process crosslinking and allows the direct encapsulation of cells staying viable throughout the print process.
This thesis identifies how the printing conditions for a high-resolution additive manufacturing technique, melt electrowriting (MEW), needs to be adjusted to process electroactive polymers (EAPs) into microfibers. Using EAPs based on poly(vinylidene difluoride) (PVDF), their ability to be MEW-processed is studied and expands the list of processable materials for this technology.
Einleitung
Als Alternative zu chirurgischen Maßnahmen stellt eine Wurzelkanalbehandlung eine zahnerhaltende Therapie dar, die nach mehr als sechs Jahren eine Überlebensrate des Zahns von 84% aufweist (Torabinejad, Anderson et al. 2007, Tsesis, Nemkowsky et al. 2010, Zitzmann, Krastl et al. 2010). Eine qualitativ hochwertige Ausbildung legt den Grundstein, um eine suffiziente und dauerhafte Wurzelkanalbehandlung durchzuführen, weshalb ihr eine besondere Aufmerksamkeit zukommt (Lin, Rosenberg et al. 2005). In der studentischen Ausbildung von Fertigkeiten für die Wurzelkanalbehandlung haben sich zur Simulation möglichst realer Patientensituationen verschiedene Übungsmodelle etabliert, die von Plexiglasblöcken bis hin zu extrahierten echten Zähnen reichen (Perry, Bridges et al. 2015). Dank der Möglichkeiten des 3D-Drucks werden neue, 3D-gedruckte Zähne als Simulationsmodell in der Ausbildung von Studierenden der Zahnmedizin eingesetzt (Höhne and Schmitter 2019, Reymus, Fotiadou et al. 2019). Zur Ermittlung der Qualität und des Lernerfolgs anhand von 3D-gedruckten Zähnen in der endodontischen Ausbildung wurde ein Fragebogen entwickelt und validiert sowie der verwendete 3D-gedruckte Zahn evaluiert.
Material und Methoden
Zur Beantwortung der Fragestellungen fand eine Pilotierungsstudie im Wintersemester 2017/18 mit 41 Studierenden und eine Validierungsstudie im Sommersemester 2018 und Wintersemester 2018/19 mit 88 Studierenden im sechsten Fachsemester statt. In beiden Kohorten wurde die Wurzelkanalbehandlung anhand von Plexiglasblöcken, extrahierten echten Zähnen sowie mit 3D-gedruckten Zähnen geübt. Abschließend wurden die Übungsmodelle mittels Fragebogen evaluiert. Der mit einem Expertenteam erstellte Fragebogen erfasste in acht unterschiedlichen Dimensionen sowohl Personendaten, Voraussetzungen, Eigenschaften im Vergleich von 3D-gedrucktem Zahn und Plexiglasblock zu echtem Zahn, subjektives Lernergebnis, Übungsmöglichkeiten, ...
Simulation der Kariesentfernung an 3D-gedruckten Molaren: Analyse der Reliabilität und der Validität
(2022)
In der vorliegenden Studie wurde an 50 3D-gedruckten Molaren mit einer konstruierten Referenzkaries das Ausmaß der vollständigen Kariesentfernung flächenabhängig überprüft. Die untersuchten Zähne wurden mit einer simulierten, standardisierten und mehrflächigen Karies versehen. Studierende der Zahnmedizin haben die Karies entfernt, die Kavität mit einer Aufbaufüllung versorgt und die Zähne für eine Vollkrone präpariert. Um die Kariesentfernung zu bewerten, wurden DVT-Aufnahmen und dreidimensionale Scans angefertigt. Aus den DVT-Datensätzen im DICOM-Format wurden die Aufbaufüllungen der Zähne mithilfe digitaler Bildverarbeitung segmentiert und als eigenständige 3D-Modelle dargestellt. Anschließend erfolgte die Überlagerung der Aufbaufüllungen auf den Referenzzahn aus der Konstruktionsdatei der Zähne. Mit der Konstruktionssoftware Autodesk Fusion 360 wurden die Aufbaufüllungen in Volumenkörper umgewandelt und mit der Karies des Referenzzahnes verglichen. Da sich die Aufbaufüllungen mit der Referenzkaries überschneiden, konnte die Software mit ihrer Teilungsfunktion nicht überschneidende Teile separieren. Abhängig von der Lage der Kavität, in der sich die überschüssigen Volumenkörper befanden, wurden jene als Restkaries oder überexkavierte Zahnhartsubstanz identifiziert. Die gemessenen Volumina von Restkaries ergaben, dass an der distalen Zahnfläche im Vergleich zur bukkalen und okklusalen signifikant mehr Karies verblieben war. Ein weiterer signifikanter Unterschied konnte zwischen mesial und bukkal, jedoch nicht zwischen mesial und okklusal festgestellt werden. Bei der Überexkavation gab es zwischen den Zahnflächen keine Unterschiede. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kariesentfernung an den approximalen Zahnflächen für die Studierenden eine höhere manuelle Herausforderung darstellte. Neben der volumetrischen Vermessung ermöglichte die dreidimensionale Visualisierung von Restkaries und der überexkavierten Zahnhartsubstanz eine objektive Bewertung des Behandlungsergebnisses für die Studierenden und deren Ausbilder. Besonders der Vergleich mit einer Referenz schaffte eine valide und nachvollziehbare Beurteilung der Kariesübung an 3D-gedruckten Zähnen.