Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
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- Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde (26)
- Klinik und Poliklinik für Unfall-, Hand-, Plastische und Wiederherstellungschirurgie (Chirurgische Klinik II) (4)
- Lehrstuhl für Orthopädie (3)
- Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin (2)
- Abteilung für Molekulare Innere Medizin (in der Medizinischen Klinik und Poliklinik II) (1)
- Institut für Hygiene und Mikrobiologie (1)
- Institut für Klinische Neurobiologie (1)
- Institut für Organische Chemie (1)
- Institut für Pharmazie und Lebensmittelchemie (1)
- Institut für diagnostische und interventionelle Neuroradiologie (ehem. Abteilung für Neuroradiologie) (1)
Bioprinting offers the opportunity to fabricate precise 3D tumor models to study tumor pathophysiology and progression. However, the choice of the bioink used is important. In this study, cell behavior was studied in three mechanically and biologically different hydrogels (alginate, alginate dialdehyde crosslinked with gelatin (ADA–GEL), and thiol-modified hyaluronan (HA-SH crosslinked with PEGDA)) with cells from breast cancer (MDA-MB-231 and MCF-7) and melanoma (Mel Im and MV3), by analyzing survival, growth, and the amount of metabolically active, living cells via WST-8 labeling. Material characteristics were analyzed by dynamic mechanical analysis. Cell lines revealed significantly increased cell numbers in low-percentage alginate and HA-SH from day 1 to 14, while only Mel Im also revealed an increase in ADA–GEL. MCF-7 showed a preference for 1% alginate. Melanoma cells tended to proliferate better in ADA–GEL and HA-SH than mammary carcinoma cells. In 1% alginate, breast cancer cells showed equally good proliferation compared to melanoma cell lines. A smaller area was colonized in high-percentage alginate-based hydrogels. Moreover, 3% alginate was the stiffest material, and 2.5% ADA–GEL was the softest material. The other hydrogels were in the same range in between. Therefore, cellular responses were not only stiffness-dependent. With 1% alginate and HA-SH, we identified matrices that enable proliferation of all tested tumor cell lines while maintaining expected tumor heterogeneity. By adapting hydrogels, differences could be accentuated. This opens up the possibility of understanding and analyzing tumor heterogeneity by biofabrication.
The bioprinting roadmap
(2020)
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.
Macrophages are key players of the innate immune system that can roughly be divided into the pro-inflammatory M1 type and the anti-inflammatory, pro-healing M2 type. While a transient initial pro-inflammatory state is helpful, a prolonged inflammation deteriorates a proper healing and subsequent regeneration. One promising strategy to drive macrophage polarization by biomaterials is precise control over biomaterial geometry. For regenerative approaches, it is of particular interest to identify geometrical parameters that direct human macrophage polarization. For this purpose, we advanced melt electrowriting (MEW) towards the fabrication of fibrous scaffolds with box-shaped pores and precise inter-fiber spacing from 100 μm down to only 40 μm. These scaffolds facilitate primary human macrophage elongation accompanied by differentiation towards the M2 type, which was most pronounced for the smallest pore size of 40 μm. These new findings can be important in helping to design new biomaterials with an enhanced positive impact on tissue regeneration.
Combining multi-scale 3D printing technologies to engineer reinforced hydrogel-ceramic interfaces
(2020)
Multi-material 3D printing technologies that resolve features at different lengths down to the microscale open new avenues for regenerative medicine, particularly in the engineering of tissue interfaces. Herein, extrusion printing of a bone-biomimetic ceramic ink and melt electrowriting (MEW) of spatially organized polymeric microfibres are integrated for the biofabrication of an osteochondral plug, with a mechanically reinforced bone-to-cartilage interface. A printable physiological temperature-setting bioceramic, based on α-tricalcium phosphate, nanohydroxyapatite and a custom-synthesized biodegradable and crosslinkable poloxamer, was developed as bone support. The mild setting reaction of the bone ink enabled us to print directly within melt electrowritten polycaprolactone meshes, preserving their micro-architecture. Ceramic-integrated MEW meshes protruded into the cartilage region of the composite plug, and were embedded with mechanically soft gelatin-based hydrogels, laden with articular cartilage chondroprogenitor cells. Such interlocking design enhanced the hydrogel-to-ceramic adhesion strength >6.5-fold, compared with non-interlocking fibre architectures, enabling structural stability during handling and surgical implantation in osteochondral defects ex vivo. Furthermore, the MEW meshes endowed the chondral compartment with compressive properties approaching those of native cartilage (20-fold reinforcement versus pristine hydrogel). The osteal and chondral compartment supported osteogenesis and cartilage matrix deposition in vitro, and the neo-synthesized cartilage matrix further contributed to the mechanical reinforcement at the ceramic-hydrogel interface. This multi-material, multi-scale 3D printing approach provides a promising strategy for engineering advanced composite constructs for the regeneration of musculoskeletal and connective tissue interfaces.
Many different biofabrication approaches as well as a variety of bioinks have been developed by researchers working in the field of tissue engineering. A main challenge for bioinks often remains the difficulty to achieve shape fidelity after printing. In order to overcome this issue, a homogeneous pre-crosslinking technique, which is universally applicable to all alginate-based materials, was developed. In this study, the Young’s Modulus after post-crosslinking of selected hydrogels, as well as the chemical characterization of alginate in terms of M/G ratio and molecular weight, were determined. With our technique it was possible to markedly enhance the printability of a 2% (w/v) alginate solution, without using a higher polymer content, fillers or support structures. 3D porous scaffolds with a height of around 5 mm were printed. Furthermore, the rheological behavior of different pre-crosslinking degrees was studied. Shear forces on cells as well as the flow profile of the bioink inside the printing nozzle during the process were estimated. A high cell viability of printed NIH/3T3 cells embedded in the novel bioink of more than 85% over a time period of two weeks could be observed.
A method is reported for making hollow channels within hydrogels decorated with cell‐adhesion peptides exclusively at the channel surface. Sacrificial fibers of different diameters are used to introduce channels within poly(ethylene glycol) hydrogels crosslinked with maleimide‐thiol chemistry, which are backfilled with a cysteine‐containing peptide solution which is conjugated to the lumen with good spatial efficiency. This allows for peptide patterning in only the areas of the hydrogel where they are needed when used as cell‐guides, reducing the amount of required peptide 20‐fold when compared to bulk functionalization. The power of this approach is highlighted by successfully using these patterned hydrogels without active perfusion to guide fibroblasts and olfactory ensheathing cells—the latter having unique potential in neural repair therapies.
Melt electrowriting, a high‐resolution additive manufacturing technology, has so far been developed with vertical stacking of fiber layers, with a printing trajectory that is constant for each layer. In this work, microscale layer shifting is introduced through deliberately offsetting the printing trajectory for each printed layer. Inaccuracies during the printing of sinusoidal walls are corrected via layer shifting, resulting in accurate control of their geometry and mechanical properties. Furthermore, more substantial layer shifting allows stacking of fiber layers in a horizontal manner, overcoming the electrostatic autofocusing effect that favors vertical layer stacking. Novel nonlinear geometries, such as overhangs, wall texturing and branching, and smooth and abrupt changes in printing trajectory are presented, demonstrating the flexibility of the layer shifting approach beyond the state‐of‐the‐art. The practice of microscale layer shifting for melt electrowriting enables more complex geometries that promise to have a profound impact on the development of products in a broad range of applications.
Impairments in neuronal circuits underly multiple neurodevelopmental and neurodegenerative disorders. 3D cell culture models enhance the complexity of in vitro systems and provide a microenvironment closer to the native situation than with 2D cultures. Such novel model systems will allow the assessment of neuronal network formation and their dysfunction under disease conditions. Here, mouse cortical neurons are cultured from embryonic day E17 within in a fiber‐reinforced matrix. A soft Matrigel with a shear modulus of 31 ± 5.6 Pa is reinforced with scaffolds created by melt electrowriting, improving its mechanical properties and facilitating the handling. Cortical neurons display enhance cell viability and the neuronal network maturation in 3D, estimated by staining of dendrites and synapses over 21 days in vitro, is faster in 3D compared to 2D cultures. Using functional readouts with electrophysiological recordings, different firing patterns of action potentials are observed, which are absent in the presence of the sodium channel blocker, tetrodotoxin. Voltage‐gated sodium currents display a current–voltage relationship with a maximum peak current at −25 mV. With its high customizability in terms of scaffold reinforcement and soft matrix formulation, this approach represents a new tool to study neuronal networks in 3D under normal and, potentially, disease conditions.
Identification of articular cartilage progenitor cells (ACPCs) has opened up new opportunities for cartilage repair. These cells may be used as alternatives for or in combination with mesenchymal stromal cells (MSCs) in cartilage engineering. However, their potential needs to be further investigated, since only a few studies have compared ACPCs and MSCs when cultured in hydrogels. Therefore, in this study, we compared chondrogenic differentiation of equine ACPCs and MSCs in agarose constructs as monocultures and as zonally layered co-cultures under both normoxic and hypoxic conditions. ACPCs and MSCs exhibited distinctly differential production of the cartilaginous extracellular matrix (ECM). For ACPC constructs, markedly higher glycosaminoglycan (GAG) contents were determined by histological and quantitative biochemical evaluation, both in normoxia and hypoxia. Differential GAG production was also reflected in layered co-culture constructs. For both cell types, similar staining for type II collagen was detected. However, distinctly weaker staining for undesired type I collagen was observed in the ACPC constructs. For ACPCs, only very low alkaline phosphatase (ALP) activity, a marker of terminal differentiation, was determined, in stark contrast to what was found for MSCs. This study underscores the potential of ACPCs as a promising cell source for cartilage engineering.
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.
Objective
As native cartilage consists of different phenotypical zones, this study aims to fabricate different types of neocartilage constructs from collagen hydrogels and human mesenchymal stromal cells (MSCs) genetically modified to express different chondrogenic factors.
Design
Human MSCs derived from bone-marrow of osteoarthritis (OA) hips were genetically modified using adenoviral vectors encoding sex-determining region Y-type high-mobility-group-box (SOX)9,transforming growth factor beta (TGFB) 1or bone morphogenetic protein (BMP) 2cDNA, placed in type I collagen hydrogels and maintained in serum-free chondrogenic media for three weeks. Control constructs contained unmodified MSCs or MSCs expressing GFP. The respective constructs were analyzed histologically, immunohistochemically, biochemically, and by qRT-PCR for chondrogenesis and hypertrophy.
Results
Chondrogenesis in MSCs was consistently and strongly induced in collagen I hydrogels by the transgenesSOX9,TGFB1andBMP2as evidenced by positive staining for proteoglycans, chondroitin-4-sulfate (CS4) and collagen (COL) type II, increased levels of glycosaminoglycan (GAG) synthesis, and expression of mRNAs associated with chondrogenesis. The control groups were entirely non-chondrogenic. The levels of hypertrophy, as judged by expression of alkaline phosphatase (ALP) and COL X on both the protein and mRNA levels revealed different stages of hypertrophy within the chondrogenic groups (BMP2>TGFB1>SOX9).
Conclusions
Different types of neocartilage with varying levels of hypertrophy could be generated from human MSCs in collagen hydrogels by transfer of genes encoding the chondrogenic factorsSOX9,TGFB1andBMP2. This technology may be harnessed for regeneration of specific zones of native cartilage upon damage.
Background
The role of cement-augmented screw fixation for calcaneal fracture treatment remains unclear. Therefore, this study was performed to biomechanically analyze screw osteosynthesis by reinforcement with either a calcium phosphate (CP)-based or polymethylmethacrylate (PMMA)-based injectable bone cement.
Methods
A calcaneal fracture (Sanders type IIA) including a central cancellous bone defect was generated in 27 synthetic bones, and the specimens were assigned to 3 groups. The first group was fixed with four screws (3.5 mm and 6.5 mm), the second group with screws and CP-based cement (Graftys (R) QuickSet; Graftys, Aix-en-Provence, France), and the third group with screws and PMMA-based cement (Traumacem (TM) V+; DePuy Synthes, Warsaw, IN, USA). Biomechanical testing was conducted to analyze peak-to-peak displacement, total displacement, and stiffness in following a standardized protocol.
Results
The peak-to-peak displacement under a 200-N load was not significantly different among the groups; however, peak-to-peak displacement under a 600- and 1000-N load as well as total displacement exhibited better stability in PMMA-augmented screw osteosynthesis compared to screw fixation without augmentation. The stiffness of the construct was increased by both CP- and PMMA-based cements.
Conclusion
Addition of an injectable bone cement to screw osteosynthesis is able to increase fixation strength in a biomechanical calcaneal fracture model with synthetic bones. In such cases, PMMA-based cements are more effective than CP-based cements because of their inherently higher compressive strength. However, whether this high strength is required in the clinical setting for early weight-bearing remains controversial, and the non-degradable properties of PMMA might cause difficulties during subsequent interventions in younger patients.
Magnetic particle imaging is an emerging tomographic method used for evaluation of the spatial distribution of iron‐oxide nanoparticles. In this work, the effect of the polymer coating on the response of particles was studied. Particles with covalently crosslinked coating showed improved signal and image resolution.
Background
Mesenchymal stem cell (MSC) based-treatments of cartilage injury are promising but impaired by high levels of hypertrophy after chondrogenic induction with several bone morphogenetic protein superfamily members (BMPs). As an alternative, this study investigates the chondrogenic induction of MSCs via adenoviral gene-delivery of the transcription factor SOX9 alone or in combination with other inducers, and comparatively explores the levels of hypertrophy and end stage differentiation in a pellet culture system in vitro.
Methods
First generation adenoviral vectors encoding SOX9, TGFB1 or IGF1 were used alone or in combination to transduce human bone marrow-derived MSCs at 5 x 10\(^2\) infectious particles/cell. Thereafter cells were placed in aggregates and maintained for three weeks in chondrogenic medium. Transgene expression was determined at the protein level (ELISA/Western blot), and aggregates were analysed histologically, immunohistochemically, biochemically and by RT-PCR for chondrogenesis and hypertrophy.
Results
SOX9 cDNA was superior to that encoding TGFB1, the typical gold standard, as an inducer of chondrogenesis in primary MSCs as evidenced by improved lacuna formation, proteoglycan and collagen type II staining, increased levels of GAG synthesis, and expression of mRNAs associated with chondrogenesis. Moreover, SOX9 modified aggregates showed a markedly lower tendency to progress towards hypertrophy, as judged by expression of the hypertrophy markers alkaline phosphatase, and collagen type X at the mRNA and protein levels.
Conclusion
Adenoviral SOX9 gene transfer induces chondrogenic differentiation of human primary MSCs in pellet culture more effectively than TGFB1 gene transfer with lower levels of chondrocyte hypertrophy after 3 weeks of in vitro culture. Such technology might enable the formation of more stable hyaline cartilage repair tissues in vivo.
Implants elicit an immunological response after implantation that results in the worst case in a complete implant rejection. This biomaterial-induced inflammation is modulated by macrophages and can be influenced by nanotopographical surface structures such as titania nanotubes or fractal titanium nitride (TiN) surfaces. However, their specific impact on a distinct macrophage phenotype has not been identified. By using two different levels of nanostructures and smooth samples as controls, the influence of tubular TiO2 and fractal TiN nanostructures on primary human macrophages with M1 or M2-phenotype was investigated. Therefore, nanotopographical coatings were either, directly generated by physical vapor deposition (PVD) or by electrochemical anodization of titanium PVD coatings. The cellular response of macrophages was quantitatively assessed to demonstrate a difference in biocompatibility of nanotubes in respect to human M1 and M2-macrophages. Depending on the tube diameter of the nanotubular surfaces, low cell numbers and impaired cellular activity, was detected for M2-macrophages, whereas the impact of nanotubes on M1-polarized macrophages was negligible. Importantly, we could confirm this phenotypic response on the fractal TiN surfaces. The results indicate that the investigated topographies specifically impact the macrophage M2-subtype that modulates the formation of the fibrotic capsule and the long-term response to an implant.
Es erfolgte eine elektrochemische Abscheidung von Bruschitschichten auf Titan in Gegenwart von Kristallisationsinhibitoren. Dabei wurden die Kristallisationsinhibitoren Zitronensäure, treta-Natriumdiphosphat-Decahydrat und Phytinsäure verwendet und die entstandenen Schichten mit denen ohne Inhibitorzugabe verglichen. Um das Ausmaß der Inhibierung zu verifizieren, wurde die Masse aller Schichten gemessen, welche für die Inhibition mit Zitronensäure und Phytinsäure abnahm und für Natriumdiphosphat zunahm. Die kristallographische Zusammensetzung der mit und ohne Inhibierung abgeschiedenen Schichten wurde mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie bestimmt und zeigte, dass sich reine Bruschitschichten mit unterschiedlichem amorphem Anteil abschieden. Die daraus entstandenen Werte lieferten zugleich die Informationen über die einzelnen Kristallitgrößen innerhalb der Schichten. Über den Einfluss der Inhibitoren auf die Schichtmorphologie gaben rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen weiteren Aufschluss. Die Inhibition verursachte teils mit Rissen durchzogene Schichten, deren Kristallformationen sich von Standardelektrolyt unterschieden. Ausgewählte Proben wurden unter verschiedenen Bedingungen desinfiziert bzw. sterilisiert und nachfolgend erneut gewogen und mittels Röntgendiffraktogrammetrie und Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Nach der Desinfektion entstanden reine Bruschitschichten, die an Masse verloren aber trotzdem die typischen Kristallformationen zeigten. Die Sterilisation führte zur Umwandlung von Bruschit in Monetit und Hydroxylapatit. Des Weiteren wurde die biologische Reaktion der Schichten auf humane fötale Osteoblasten-Zelllinien zur Überprüfung der Zellverträglichkeit ermittelt. Die entstandenen Ergebnisse waren nicht verwertbar und enthielt sehr hohe Standardabweichungen.
Tumorzellen, Stromazellen, Extrazellulärmatrix (EZM) und lösliche Faktoren in der Tumormikroumgebung beeinflussen und verstärken sich gegenseitig in der Ausbildung eines malignen Phänotyps. Sowohl die fibrotische EZM als auch eine kleine Subpopulation von pluripotenten Tumorstammzellen sind bekanntermaßen für die Steigerung der Tumoraggressivität verantwortlich. Inwiefern diese beiden unabhängigen Faktoren im Kontext von Brustkrebs miteinander in Beziehung stehen, ist jedoch bis heute unklar.
Um untersuchen zu können, welchen Beitrag Tumorzellen, Stromazellen, EZM und lösliche Faktoren einzeln und im Zusammenspiel zur Malignität eines Tumors leisten, ist die Entwicklung geeigneter in-vitro-Modelle unabdingbar. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, ein 3D-Mikrotumormodell zu generieren, in dem eine Analyse dieser genannten Faktoren stattfinden könnte. An diesem Modell wurden darüber hinaus erste Untersuchungen von im Tumorkontext bekannten EZM-Proteinen durchgeführt. Um die dreidimensionale Anordnung von Tumorzellen und ihrer Gewebeumgebung adäquat wiedergeben zu können, beinhalteten die 3D-Tumorsphäroide sowohl Brustkrebszellen (MDA-MB-231) als auch Stromazellen (hASCs).
Die EZM als wichtiger Bestandteil der (Tumor-) Mikroumgebung sollte übersichtshalber durch Hämatoxylin-Eosin-Färbung und detaillierter durch immunhistochemische Analyse nach zwei verschiedenen Kulturzeitpunkten charakterisiert werden, um EZM-Veränderungen im zeitlichen Verlauf darzustellen. Im Fokus der Analyse standen die beiden wichtigsten profibrotischen EZM-Proteine Fibronektin und Kollagen I, die maßgeblich an der Pathogenese von Brustkrebs beteiligt sind. Zudem wurde das Vorkommen des Myofibroblastenmarkers α-SMA untersucht.
An den Sphäroiden einer Kontrollgruppe, die lediglich hASCs beinhaltete, sollte vergleichend eine Analyse der genannten EZM-Proteine sowie α-SMA durchgeführt werden. Um schließlich den Einfluss der von Tumorzellen sezernierten löslichen Faktoren in der Tumormikroumgebung herauszustellen, wurden Sphäroide aus hASCs in tumorkonditioniertem Medium gezüchtet und darin ebenfalls Matrixproteine und α-SMA untersucht.
Abschließend erfolgte eine Korrelation der EZM-Analyse mit dem Vorhandensein von Tumorstammzellen in den 3D-Tumorsphäroiden. Dafür wurden die Tumorstammzellen mithilfe eines GFP-basierten Reporters für den Stammzellmarker NANOG (NANOG-GFP-Reporterzelllinie) in mikroskopischen Aufnahmen der 3D-Tumorsphäroide nachgewiesen und im Kontext mit der EZM lokalisiert.
Der 3D-Druck ist ein elementarer Bestandteil der Biofabrikation. Beispielsweise wird mittels Biotinten und einem geeigneten 3D-Druckverfahren Schicht für Schicht eine Geometrie aufgebaut. Durch die Gestaltung von mikrofluidischen Druckköpfen wird eine Möglichkeit geschaffen multiple Materialansätze im Druckkopf zu vermischen und so in einem bestimmten Mischungsverhältnis zu drucken.
Mit dem DLP-SLA-Drucker Vida HD Crown and Bridge (EnvisionTEC) und dem Harz E-Shell 600 (EnvisionTEC) wurden zunächst die Auflösungsgrenzen des Druckers ermittelt sowie Komponenten für die Realisierung eines mikrofluidischen Druckkopfes prozessiert.
Bei den Komponenten handelt es sich zum einen um Geometrien, die beispielsweise als Mischeinheit im Kanal dienen können und des Weiteren um senkrechte Kanäle die Biotinten führen können, sowie um Kanäle, die als Zuläufe für den Hauptkanal des mikrofluidischen Druckkopfs dienen können.
Die Eigenschaften und die technische Realisierbarkeit der gedruckten Objekte wurden eruiert.
Dabei wurden die jeweiligen Geometrien und Kanalöffnungen vermessen, große Aspektverhältnisse der Geometrien untersucht und die Durchgängigkeit der Kanäle geprüft.
Zukünftig können die prozessierten Komponenten für einen mikrofluidischen Druckkopf variabel kombiniert werden und auf dieser Basis weiterführende Experimente stattfinden.
The physical and chemical stability of peptides for biomedical applications can be greatly enhanced through the conjugation of polymers. A well‐known but rather underemployed selective coupling functionality is the azlactone group, which readily reacts with a number of different nucleophiles without the need for activation and the formation of any by‐products. For example, azlactone functional polymers are used to react with peptides and proteins, rich in amino and thiol groups, to form polymeric beads for affinity‐based column chromatography. So far, side chain functional azlactone polymers have been mainly synthesized by radical polymerization using 2‐vinyl‐4,4‐dimethyl azlactone together with different acrylate monomers. Here, a new azlactone precursor equipped with a functional thiol is presented, which can be attached to any vinyl functional polymer by thiol–ene chemistry. Subsequently, the formation of the reactive azlactone ring can be performed in situ at high conversion rate without the need for illumination. This approach is tested on an azlactone side functional poly(2‐oxazoline) by coupling amine containing molecules including a model peptide and is proven via \(^1\)H NMR spectroscopy, IR spectroscopy, as well as HPLC measurements.
Elektrochemisch gestützte Abscheidung kupfer- und zinkdotierter Magnesiumphosphatschichten auf Titan
(2020)
Zur Entwicklung von Implantaten, welche eine komplikationsärmere Einheilung aufweisen, wurde eine dünne, homogene Beschichtung von Titanprobenkörpern mit Struvit mithilfe elektrochemischer Abscheidung generiert. Hierbei wurden dem Basiselektrolyt in den Versuchsreihen unterschiedliche Konzentrationen an Kupfer-(II)-nitrat-3-hydrat- und/oder Zinknitrat-6-hydratlösung hinzugefügt. Die experimentelle Freisetzung erfolgte in drei unterschiedlichen physiologischen Nährmedien: simulated body fluid (SBF), fetal calf serum (FCS) und Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM). Es konnte gezeigt werden, dass eine antibakteriell wirkende Menge an Kupfer- und Zinkionen freigesetzt wurde. Zusammenfassend stellt die elektrochemische Abscheidung von mit Kupfer- und Zink-dotierten Struvit auf Titanoberflächen einen vielversprechenden Ansatz in der Implantologie hinsichtlich der Einheilzeit im Knochen sowie der Risikominimierung des Verlustes dar.
Infektionen von Endoprothesen sind auch heute noch, obgleich aufgrund aktueller Hygienestandards seltener, eine schwerwiegende Komplikation. Die Folgen können risikoreiche Revisionsoperationen bis hin zum kompletten Prothesenverlust sein. Um die Gefahr bakterieller Protheseninfektionen zu minimieren, rückten unter anderem Oberflächenbeschichtungen mit antimikrobieller Wirkung in den Fokus der Forscher. Eine Kombination aus dem antimikrobiell wirksamen Metall Silber und dem die Härte verbessernden Stickstoff – als TiAgN – Beschichtung – zeigte bereits gute in vitro Ergebnisse (Moseke et al. 2011).
Auf Grundlage dieser positiven in vitro Studie wurde die TiAgN – Beschichtung in der hier vorliegenden Arbeit in vivo im Tiermodell untersucht. Ziel der Studie war es das Einwachsen TiAgN – beschichteter Titanimplantate im Kaninchenknochen mit unbeschichteten Titanimplantaten zu vergleichen. Hierzu wurden bei insgesamt drei Kaninchen jeweils zwei TiAgN – beschichtete Proben und eine unbeschichtete Kontrolle in beide Femora implantiert. Der Einheilzeitraum betrug drei Monate.
Nach der Entnahme der Femora wurde zunächst durch Röntgenaufnahmen die genaue Lage der Implantate festgesellt. Nach der Anfertigung von Dünnschliffen nach Donath und der Trichrom – Färbung nach Masson – Goldner wurden für die histologische Auswertung lichtmikroskopische Bilder in 40 – facher Vergrößerung angefertigt. Um den gesamten Umfang der Implantatanschnitte vermessen zu können, wurden die aufgenommen Einzelbilder zu den ursprünglichen Gesamtbildern zusammengesetzt. Die Vermessung der Implantatumfänge erfolgte hinsichtlich der Untersuchungsparameter Knochen – Implantat – Kontakt (KIK), nicht mineralisierter Knochen (Osteoid), Bindegewebe und Spalten – Implantatoberflächenbereiche an denen kein Gewebe angewachsen ist. Für die drei beobachteten Kaninchen ergab sich für die TiAgN – beschichteten Probeimplantate ein KIK von 94,87 %, ein Osteoidanteil am KIK von 45,15 % und ein Spaltanteil von 2,82 % verglichen mit den unbeschichteten Kontrollen von 97,31 % für den KIK, 60,12 % für den Osteoid – sowie 2,69 % für den Spaltanteil. Somit zeigt sich für TiAgN – beschichtete Titanimplantate kein signifikant schlechteres Einwachsen im Vergleich zu unbeschichteten Titanimplantaten.
Ausgehend von der guten antimikrobiellen Wirksamkeit und Zytokompatibilität in vitro (Moseke et al. 2011) sowie der guten Osseointegration in vivo präsentiert sich diese Beschichtung sehr vielversprechend. Dennoch sind weitere Untersuchungen erforderlich, wie beispielsweise die Überprüfung der Haftfestigkeit zwischen Beschichtung und Implantat sowie die antimikrobielle Wirksamkeit in vivo. Ergeben sich für diese Beschichtung weiterhin gute Ergebnisse, kann eine Studie am Menschen in Erwägung gezogen werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche zementbasierte Knochenersatzmaterialien hinsichtlich ihres Potentials zur Behandlung knöcherner Defekte in vivo untersucht. Zwei verschiedene Calcium-dotierten Magnesiumphosphat Zementformulierungen (CMPC) wurden mit einem Referenzmaterial aus Calciumphosphat Zement (CPC) verglichen. Dazu wurden auf Basis von CMPC präfabrizierte, injizierbare Pasten bzw. sphärische Granulate hergestellt und anhand von orthotopen, potenziell kraftbelasteten Defekten in Kaninchenfemora getestet. Zentrales Ziel hierbei war es, herauszufinden, wie sich die Materialien in Defektsituationen mit Hartgewebekontakt biologisch verhalten und degradieren bzw. in Knochen umbauen. Nach einer Liegedauer von 6 bzw. 12 Wochen wurden die Knochenneubildung und die Degradation der Materialien mittels Histomorphometrie analysiert.
Alle Materialien waren biokompatibel und führten zur Bildung von neuem Knochen. Der CMPC-Zement zeigte im Vergleich zu CPC einen beschleunigten Abbau, während sich am Referenzmaterial mehr mineralisierter Knochen bildete. Die untersuchten Calcium-dotierten Struvit-bildenden Magnesiumphosphatzemente erwiesen sich als biokompatibel, gut resorbierbar und stellen mit ihrer Fähigkeit zur Knochenbildung ein vielversprechendes Knochenersatzmaterial dar.
In vorliegender Dissertationsarbeit wurde der Einfluss von MEW-gedruckten Scaffolds aus dem synthetischen Polymer PnPrOx, einem Poly(2-oxazolin), mit verschiedenen Oberflächenstrukturen (fibrillär, glatt) auf die Proteinexpression menschlicher Makrophagen untersucht. Dabei wurde überprüft, inwiefern die Beschaffenheit der Oberflächenstruktur des Polymers die Polarisierung von Makrophagen auf Proteinebene beeinflusst.
Entwicklung einer biofunktionalen Beschichtung für mit Silber dotierte Titandioxid-Nanopartikel
(2020)
Ziel dieser Arbeit war es, eine erfolgreiche Beschichtung der verschiedenen TiO2 Nanopartikel mit aufsteigendem Silberanteil herzustellen, um eine ausgeprägte Stabilisierung und Biokompatibilität der Partikel zu erreichen. Anschließend wurde ihre Wirkung gegenüber gesunden Zellen und Tumorzellen anhand von Zellversuchen untersucht.
Zunächst mussten die TiO2 Aggregate nach ihrer Redispergierung in Wasser, Toluol oder Tris Base gespalten werden, damit anschließend eine kontrollierte Beschichtung einzelner Nanopartikel durchgeführt werden konnte. Der Einfluss von Ultraschall in Form einer zweiminütigen Ultraschalltipbehandlung lieferte hierbei die niedrigsten Partikelgrößen in der DLS-Messung.
Die Beschichtungen wurden mit APTES, Dopamin und PEG-SH unter Einfluss von unterschiedlichen Ultraschalltipzeiten, Konzentrationen, Temperaturen, pH-Werten, Salzen sowie verschiedenen Magnetrührtechniken und Waschprozessen entwickelt. Durch die Charakterisierungsmethoden via dynamischer Lichtstreuung, Zetapotentialmessung, Infrarotspektroskopie, REM und STEM wurde jede Beschichtung analysiert und auf diese Weise ihre optimale Herstellungsmethode erarbeitet.
Schlussendlich wurde der Einfluss unbeschichteter sowie mit APTES, PDA und PEG-SH beschichteter TiO2 Nanopartikel mit steigendem Silberanteil anhand gesunder Zellen und Tumorzellen in vitro untersucht. Die Zellen wurden für 24 h mit den Partikeln inkubiert und anschließend mittels Durchflusszytometrie charakterisiert. Generell wurde nur eine geringfügige Auswirkung der Partikel auf die Zellen beobachtet. Die in der Literatur beworbene Aussage, dass silberdotierte TiO2 in der Lage sind, entartete Zellen zu töten, während gesunde Zellen ausgespart werden, konnte nicht bestätigt werden. Dennoch besaßen einige Faktoren einen Einfluss auf die Vitalität und Zellzahl. So spielte der steigende Silberanteil bei den Zellen eine Rolle, die einen Effekt auf die TiO2 Nanopartikel zeigten. Mit steigendem Ag-Anteil sanken Zellzahl und Vitalität stärker. Auch eine ansteigende Konzentration der beschichteten Partikel wirkte sich positiv auf das Absinken der Zellzahl aus. Besonders die adhärent wachsende Tumorzelllinie Panc02 zeigte sich sensibel gegenüber den beschichteten und unbeschichteten Partikeln. Die Beschichtung, welche die größte Auswirkung auf die Zellzahl- und Vitalitätsminderung der Zellen hatte, war eindeutig die PDA-Beschichtung.
Erstellung eines genregulatorischen Netzwerkes zur Simulation der Entstehung von Zahnhartsubstanz
(2020)
In dieser Dissertation beschreibt der Autor die Erstellung eines grundlegenden bioinformatischen Modelles der menschlichen Zahnschmelzreifung. Mithilfe der KEGG Pathway-Datenbank wurde ein genregulatorisches Netzwerk (GRN) erstellt, welches maßgeblich auf den Signaltransduktionswegen Apoptose, Zellzyklus, Hedgehog-Signalweg, MAP-Kinase-Weg, mTOR-Signalweg Notch-Signalweg Signalweg, TGF-β-Signalweg und Wnt-Signalweg basiert. Im Weiteren wurde dieses Netzwerk durch zahlreiche verifizierte Wechselwirkungen erweitert und die zahnspezifischen Gene AMELX, AMELY, AMBN, ENAM und DSPP implementiert. In der anschließenden Simulation des Netzwerks mit dem Simulations-Tool Jimena konnten sechs stabile Zustände identifiziert werden. Diese wurden genauer untersucht und den Erkenntnissen eines GEO-Datensatzes gegenübergestellt. Langfristiges Ziel ist es, durch konsequente Optimierung des bioinformatischen Netzwerks Rückschlüsse auf die Odontogenese des Menschen zu ziehen.
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.