Additive manufacturing processes such as 3D printing are booming in the industry due to their high degree of freedom in terms of geometric shapes and available materials. Focusing on patient-specific medicine, 3D printing has also proven useful in the Life Sciences, where it exploits the shape fidelity for individualized tissues in the field of bioprinting. In parallel, the current systems of bioreactor technology have adapted to the new manufacturing technology as well and 3D-printed bioreactors are increasingly being developed. For the first time, this work combines the manufacturing of the tissue and a tailored bioreactor, significantly streamlining the overall process and optimally merging the two processes. This way the production of the tissues can be individualized by customizing the reactor to the tissue and the patient-specific wound geometry. For this reason, a common basis and guideline for the cross-device and cross-material use of 3D printers was created initially. Their applicability was demonstrated by the iterative development of a perfusable bioreactor system, made from polydimethylsiloxane (PDMS) and a lignin-based filament, into which a biological tissue of flexible shape can be bioprinted. Cost-effective bioink-replacements and in silico computational fluid dynamics simulations were used for material sustainability and shape development. Also, nutrient distribution and shear stress could be predicted in this way pre-experimentally. As a proof of functionality and adaptability of the reactor, tissues made from a nanocellulose-based Cellink® Bioink, as well as an alginate-based ink mixed with Me-PMeOx100-b-PnPrOzi100-EIP (POx) (Alginate-POx bioink) were successfully cultured dynamically in the bioreactor together with C2C12 cell line. Tissue maturation was further demonstrated using hMSC which were successfully induced to adipocyte differentiation. For further standardization, a mobile electrical device for automated media exchange was developed, improving handling in the laboratory and thus reduces the probability of contamination. / Additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck boomen in der Industrie aufgrund ihres hohen Freiheitsgrads in Bezug auf geometrische Formen und verfügbare Materialien. Mit Blick auf die patientenspezifische Medizin hat sich der 3D-Druck auch in den Biowissenschaften bewährt, wo er die Formtreue für individualisierte Gewebe im Bereich des Bioprinting nutzt. Parallel dazu haben sich auch die derzeitigen Systeme der Bioreaktortechnologie an die neue Fertigungstechnologie angepasst, und es werden zunehmend 3D-gedruckte Bioreaktoren entwickelt. In dieser Arbeit werden erstmals die Herstellung des Gewebes und ein maßgeschneiderter Bioreaktor kombiniert, wodurch der Gesamtprozess erheblich gestrafft und beide Verfahren optimal zusammengeführt werden. Auf diese Weise kann die Herstellung der Gewebe individualisiert werden, indem der Reaktor an das Gewebe und die patientenspezifische Wundgeometrie angepasst wird. Aus diesem Grund wurde zunächst eine gemeinsame Basis und Leitlinie für den Geräte- und Materialübergreifenden Einsatz von 3D-Druckern geschaffen. Deren Anwendbarkeit wurde durch die iterative Entwicklung eines perfundierbaren Bioreaktorsystems aus Polydimethylsiloxan (PDMS) und einem Lignin-basierten Filament demonstriert, in das ein biologisches Gewebe mit flexibler Form gedruckt werden kann. Kostengünstige Biotintenalternativen und emph in silico Computational Fluid Dynamics Simulationen wurden für eine materialschonende Formentwicklung verwendet. Nährstoffverteilung und Scherspannung konnten auf diese Weise präexperimentell vorhergesagt werden. Als Beweis für die Funktionalität und Anpassbarkeit des Reaktors wurden Gewebe aus einer Cellink® Bioink auf Nanocellulosebasis sowie einer Tinte auf Alginatbasis, welche mit Me-PMeOx100-b-PnPrOzi100-EIP (POx) gemischt wurde (Alginat-POx-Bioink), erfolgreich zusammen mit C2C12-Zelllinie dynamisch im Reaktor kultiviert. Die Gewebereifung wurde außerdem mit hMSC demonstriert, die erfolgreich zur adipozyten Differenzierung induziert wurden. Zur weiteren Standardisierung wurde ein mobiles elektrisches Gerät für den automatischen Medienwechsel entwickelt, welches die Handhabung im Labor verbessert und damit die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination deutlich verringert.

Over the years, hydrogels have been developed and used for a huge variety of different applications ranging from drug delivery devices to medical products. In this thesis, a poly(2-methyl-2-oxazoline) (POx) / poly(2-n-propyl-2-oxazine) (POzi) bioink was modified and analyzed for the use in biofabrication and targeted drug delivery. In addition, the protein fibrinogen (Fbg) was genetically modified for an increased stability towards plasmin degradation for its use as wound sealant. In Chapter 1, a thermogelling, printable POx/POzi-based hydrogel was modified with furan and maleimide moieties in the hydrophilic polymer backbone facilitating post-printing maturation of the constructs via Diels-Alder chemistry. The modification enabled long-term stability of the hydrogel scaffolds in aqueous solutions which is necessary for applications in biofabrication or tissue engineering. Furthermore, we incorporated RGD-peptides into the hydrogel which led to cell adhesion and elongated morphology of fibroblast cells seeded on top of the scaffolds. Additional printing experiments demonstrate that the presented POx/POzi system is a promising platform for the use as a bioink in biofabrication. Chapter 2 highlights the versatility of the POx/POzi hydrogels by adapting the system to a use in targeted drug delivery. We used a bioinspired approach for a bioorthogonal conjugation of insulin-like growth factor I (IGF-I) to the polymer using an omega-chain-end dibenzocyclooctyne (DBCO) modification and a matrix metalloprotease-sensitive peptide linker. This approach enabled a bioresponsive release of IGF-I from hydrogels as well as spatial control over the protein distribution in 3D printed constructs which makes the system a candidate for the use in personalized medicine. Chapter 3 gives a general overview over the necessity of wound sealants and the current generations of fibrin sealants on the market including advantages and challenges. Furthermore, it highlights trends and potential new strategies to tackle current problems and broadens the toolbox for future generations of fibrin sealants. Chapter 4 applies the concepts of recombinant protein expression and molecular engineering to a novel generation of fibrin sealants. In a proof-of-concept study, we developed a new recombinant fibrinogen (rFbg) expression protocol and a Fbg mutant that is less susceptible to plasmin degradation. Targeted lysine of plasmin cleavage sites in Fbg were exchanged with alanine or histidine in different parts of the molecule. The protein was recombinantly produced and restricted plasmin digest was analyzed using high resolution mass spectrometry. In addition to that, we developed a novel time resolved screening protocol for the detection of new potential plasmin cleavage sites for further amino acid exchanges in the fibrin sealant. / Hydrogele wurden im Laufe der Jahre für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Verabreichung von Medikamenten bis hin zu medizinischen Produkten, entwickelt und eingesetzt. In dieser Arbeit wurde eine Poly(2-methyl-2-oxazolin) POx) / Poly(2-n-propyl-2- oxazin) (POzi) Biotinte modifiziert und für den Einsatz in der Biofabrikation und für die gezielte Verabreichung von Medikamenten analysiert. Außerdem wurde das Protein Fibrinogen (Fbg) gentechnisch verändert, um seine Stabilität gegenüber dem Plasminabbau in seiner Funktion als Wundkleber zu erhöhen In Kapitel 1 wurde ein thermogelierendes, druckbares Hydrogel auf POx/POzi-Basis mit Furan- und Maleimid-Funktionen im hydrophilen Polymerrückgrat modifiziert, was die Reifung der Konstrukte nach dem Druck durch Diels-Alder-Chemie bewirkt. Die Modifizierung ermöglichte eine langfristige Stabilität der Hydrogele in wässrigen Lösungen, was für Anwendungen im Bereich der Biofabrikation oder im Tissue Engineering erforderlich ist. Darüber hinaus haben wir RGD-Peptide in das Hydrogel integriert, was zur Zelladhäsion und einer verlängerten Morphologie von Fibroblasten, die auf den Gelen ausgesät wurden, führte. Weitere Druckexperimente zeigen außerdem, dass das POx/POzi-System eine vielversprechende Plattform für den Einsatz als Biotinte in der Biofabrikation ist. Kapitel 2 unterstreicht die Vielseitigkeit der POx/POzi-Hydrogele, indem das System für die gezielte Abgabe von Medikamenten angepasst wird. Wir verwendeten einen von der Natur inspirierten Ansatz für eine biorthogonale Konjugation vom Insuline-like Growth Factor I (IGF- I) an das Polymer unter Verwendung einer Dibenzocyclooctin-Modifikation des Polymers am Ende der Omega-Kette und eines Matrix-Metalloproteasen-empfindlichen Peptid-Linkers. Dieser Ansatz ermöglichte eine bioresponsive Freisetzung von IGF-I aus Hydrogelen sowie eine räumliche Kontrolle über die Proteinverteilung in 3D-gedruckten Konstrukten, was das System zu einem Kandidaten für den Einsatz in der personalisierten Medizin macht. Kapitel 3 gibt einen allgemeinen Überblick über die Notwendigkeit von Wundversiegelungsmitteln und die derzeit auf dem Markt befindlichen Generationen von Fibrinklebern einschließlich der Vorteile und Herausforderungen. Darüber hinaus werden Trends und potenzielle neue Strategien zur Lösung aktueller Probleme und zur Erweiterung der Toolbox für künftige Generationen von Fibrinklebern aufgezeigt. In Kapitel 4 werden die Konzepte der rekombinanten Proteinexpression und des Molecular Engineering auf eine neue Generation von Fibrin Wundklebern angewandt. In einer Proof-of- Concept-Studie haben wir ein neues rekombinantes Fbg Expressionsprotokoll und eine Fbg Mutante entwickelt, die weniger anfällig für einen Abbau durch Plasmin ist. Gezielte Lysine in Plasmin-Schnittstellen in Fbg wurde entweder durch Alanin oder Histidin in unterschiedlichen Teilen des Moleküls ausgetauscht. Das Protein wurde rekombinant hergestellt und eine verminderte Schnittrate wurde mittels hochauflösender Massenspektrometrie gezeigt. Zusätzlich haben wir ein neues zeitaufgelöstes Screening-Protokoll entwickelt, mit dem sich neue potenzielle Plasmin-Spaltstellen für weitere Aminosäurenaustausche in Fibrin-Klebern auflösen lassen.

Die Entwicklung und Erforschung von Materialien, die biologische Gewebefunktionen erfüllen und geschädigtes Gewebe ersetzen können, steht im Fokus der Biofabrikation. Die steigenden Anforderungen und somit ein Mangel an geeigneten Biotinten erschweren jedoch den Fortschritt in diesem Bereich. Durch die Nachbildung einer natürlichen extrazellulären Matrix soll den Zellen in einem Hydrogel eine mechanisch unterstützende 3D-Umgebung geboten werden, um ein Zellüberleben und eine Zellproliferation zu erreichen. Mittels additiver Fertigungstechniken können so 3DKonstrukte hergestellt werden. Das Ziel dieser Arbeit war die zellbiologische Evaluation verschiedener Hydrogelsysteme und das Austesten dieser in einem volumetrischen 3D-Biodrucker. Dabei wurden die Hydrogelsysteme Alg-Gel, GelMA und GelAGE miteinander verglichen. Anhand von eingebetteten Mausfibroblasten L929 und NIH-3T3 wurde das Zellüberleben nach einer in-vitro Kultivierung von 7 Tagen mit verschiedenen Testverfahren evaluiert. Mittels CCK-8-Kit konnte die Zellaktivität und Zellproliferation untersucht werden, während der PicoGreen-Assay den absoluten DNA-Gehalt einer Probe bestimmen konnte. Zusätzlich wurde mittels Live/Dead-Assay das Zellüberleben an den verschiedenen Versuchstagen analysiert und die Zellverteilung und Morphologie anhand der Phalloidinfärbung genauer untersucht. In den Vorversuchen wurde das Zellüberleben von L929 und NIH-3T3- Zellen in gegossenen Alg-Gel-Hydrogelen getestet. Dabei konnte eine gute Zytokompatibilität des etablierten Hydrogelsystems festgestellt werden. Es wurden außerdem reproduzierbare Ergebnisse am FMZ in Würzburg erreicht. Um die beiden Hydrogelsysteme GelMA und GelAGE zu vergleichen, wurden diese zum einen in Förmchen gegossen und zum anderen mit einem 3D-Biodrucker hergestellt. Die Ergebnisse der metabolischen Stoffwechselaktivität waren gut. Es konnte zudem herausgefunden werden, dass sich die Zellen vor allem auf der Hydrogeloberfläche in einem gestreckten Zellnetzwerk ansiedelten, während im Gelinneren nur wenige Zellen diese Morphologie erreichten. Insgesamt stellt das Hydrogelsystem GelAGE eine neue und vielversprechende Bioplattform dar, das eine kosteneffiziente und reproduzierbare Herstellung von Hydrogelen ermöglicht und noch weiter erforscht werden sollte. / The development and research of materials that can fulfill biological tissue functions and replace damaged tissue is the focus of biofabrication. However, increasing requirements and the resulting lack of suitable bioinks are hampering progress in this area. By replicating a natural extracellular matrix, the aim is to provide the cells in a hydrogel with a mechanically supportive 3D environment in order to achieve cell survival and proliferation. Using additive manufacturing techniques, 3D constructs can be produced in this way. The aim of this work was the cell biological evaluation of different hydrogel systems and the testing of these in a volumetric 3D bioprinter. The hydrogel systems Alg-Gel, GelMA and GelAGE were compared with each other. Using embedded mouse fibroblasts L929 and NIH-3T3, cell survival was evaluated after 7 days of in vitro cultivation using various test methods. The CCK-8 kit was used to examine cell activity and proliferation, while the PicoGreen assay was used to determine the absolute DNA content of a sample. In addition, the cell survival on the different test days was analyzed using a live/dead assay and the cell distribution and morphology were examined in more detail using phalloidin staining. In the preliminary experiments, the cell survival of L929 and NIH-3T3 cells was tested in cast Alg-gel hydrogels. Good cytocompatibility of the established hydrogel system was found. Reproducible results were also achieved at the FMZ in Würzburg. In order to compare the two hydrogel systems GelMA and GelAGE, they were cast into molds and produced using a 3D bioprinter. The results of the metabolic activity were good. It was also found that the cells mainly colonized the hydrogel surface in an elongated cell network, while only a few cells achieved this morphology in the gel interior. Overall, the GelAGE hydrogel system represents a new and promising bioplatform that enables the cost-efficient and reproducible production of hydrogels and should be investigated further.

Chondrozyten stellen die zelluläre Komponente von hyalinem Knorpel dar, der die Gelenkflächen diarthrotischer Gelenke bedeckt. Über die perizelluläre Matrix (PZM) sind sie mit der extrazellulären Matrix des Knorpelgewebes, die im Wesentlichen aus Wasser, Kollagen-Typ-II (Koll-II) und Glykosaminoglykan (GAG) gebildet wird, verbunden. Die PZM gilt als wichtiges modulatorisches und protektives Element in der Signal- und Mechanotransduktion sowie für die Homöostase innerhalb des Knorpelgewebes. Degenerative und inflammatorische Prozesse führen zu irreparablen Schäden der Gewebearchitektur und -funktionalität. Die Regenerative Medizin strebt den Ersatz destruierter Gelenkflächen durch mittels Tissue Engineering hergestellten Neoknorpel an. 3D-Bioprinting gilt hier als attraktive Methode, nimmt jedoch über Scherkräfte während des Druckvorgangs auch schädigenden Einfluss auf das Überleben oder die Funktionalität der Zellen. Zielsetzung dieser Arbeit war es, den möglichen protektiven Einfluss der PZM während des Druckvorgangs zu untersuchen. Aus porcinem Frischknorpel isolierte Chondrozyten wurden nach cast bzw. 3D-Bioprinting in Agarose-Biotinte hinsichtlich ihres Überlebens und ihrer Syntheseleistung von knorpelspezifischem Koll-II und GAG untersucht. Chondrozyten ohne PZM wurden mit Chondrozyten verglichen, die nach enzymatischer Isolation noch perizellulär Kollagen-Typ-VI als Marker der PZM aufwiesen. Chondrozyten mit PZM zeigten allgemein eine stärkere Produktion von Koll-II als Chondrozyten ohne PZM. Nach 3D-Bioprinting konnte für Chondrozyten ohne PZM eine signifikant geringere Produktion von GAG nachgewiesen werden als in der cast-Vergleichsgruppe, während dies für Chondrozyten mit PZM nicht gezeigt werden konnte. Der gezeigte protektive Einfluss der PZM gegenüber Scherkräften während des Druckvorgangs eröffnet neue Methoden für das Cartilage Tissue Engineering. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um dies zu bestätigen und die Translation in die klinische Forschung ermöglichen. / Chondrocytes are the cellular component of the hyaline cartilage that lines the articular surfaces of diarthrotic joints. They are bound to the extracellular matrix of the cartilage tissue by the pericellular matrix (PCM), which consists mainly of water, collagen type II (coll-II) and glycosaminoglycan (GAG). PCM is considered to be an important modulatory and protective element in signalling, mechanotransduction and homeostasis within cartilage tissue. Degenerative and inflammatory processes cause irreparable damage to tissue architecture and functionality. Regenerative medicine aims to replace damaged joint surfaces with neocartilage produced by tissue engineering. 3D bioprinting is considered to be an attractive method for this purpose, but also has a detrimental effect on the survival or functionality of the cells due to shear forces during the printing process. The aim of this study was to investigate the potential protective effect of PZM during the printing process. Chondrocytes isolated from fresh porcine cartilage were analysed after casting or 3D bioprinting in agarose bioprinting for their survival and their ability to synthesise cartilage-specific Coll-II and GAG. Chondrocytes without PCM were compared with chondrocytes that still had pericellular collagen type VI as a marker of PCM after enzymatic isolation. Chondrocytes with PCM generally showed a higher production of Coll-II than chondrocytes without PCM. After 3D bioprinting, chondrocytes without PCM showed significantly lower GAG production than the control group, whereas chondrocytes with PCM did not. The demonstrated protective effect of PCM against shear forces during the printing process opens up new possibilities for cartilage tissue engineering. Further studies are needed to confirm this and to enable translation into clinical research.