Der technische Fortschritt hat dazu geführt, dass die Kosten für das automatisierte Drucken von Emblemen, Anhängern sowie allgemein gedruckten Prototypen stark gefallen sind. Dies geschah insbesondere auch vor dem Hintergrund einesWandels der Industrie hin zu einer modernen Industrie 4.0. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz für das automatische 3D-Drucken eines Logos präsentiert, welches als Pixelgrafik vorliegt. Die vorgeschlagene Prozesskette erzeugt hierbei final den G-code zum Drucken. Dabei sind seitens des Users wenige Eingaben erforderlich.

In this thesis, non-modified POx, namely PnPrOx and PcycloPrOx, with an LCST in the physiological range between 20 and 37°C have been utilized as materials for three different biofabrication approaches. Their thermoresponsive behavior and processability were exploited to establish an easy-to-apply coating for cell sheet engineering, a novel method to create biomimetic scaffolds based on aligned fibrils via Melt Electrowriting (MEW) and the application of melt electrowritten sacrificial scaffolds for microchannel creation for hydrogels. Chapter 3 describes the establishment of a thermoresponsive coating for tissue culture plates. Here, PnPrOx was simply dissolved in water and dried in well plates and petri dishes in an oven. PnPrOx adsorbed to the surface, and the addition of warm media generated a cell culture compatible coating. It was shown that different cell types were able to attach and proliferate. After confluency, temperature reduction led to the detachment of cell sheets. Compared to standard procedures for surface coating, the thermoresponsive polymer is not bound covalently to the surface and therefore does not require specialized equipment and chemical knowledge. However, it should be noted that the detachment of the cell layer requires the dissolution of the PnPrOx-coating, leading to possible polymer contamination. Although it is only a small amount of polymer dissolved in the media, the detached cell sheets need to be washed by media exchange for further processing if required. ... / In dieser Dissertation wurden die unmodifizierten Poly(2-oxazoline) PnPrOx und PcycloProx, welche eine LCST im physiologischen Bereich zwischen 20 und 37°C aufweisen, für drei verschiedene Biofabrikationsansätze verwendet. Deren Thermoresponsivität und Prozessierbarkeit wurde genutzt, um ein simples Beschichten von Oberflächen für Cell Sheet Engineering, eine neue Methode zur Herstellung biomimetischer Gerüststrukturen basierend auf der Generierung von Fibrillenbündeln via Melt Electrowriting und die Anwendung als Opferstrukturen zur Generierung von Mikrokanälen in Hydrogelen zu etablieren.

In der vorliegenden Arbeit präparierten Studierende 3D-gedruckte Übungszähne, in denen die korrekte Präparation eines Veneers farblich abgesetzt war. Die neue Lehrmethode wurde durch die Teilnehmer in einem Fragebogen evaluiert und zusätzlich wurden die Präparationen digital mit einer Referenzpräparation verglichen. Die Teilnehmer des praktischen Kurses schätzten die Zweischichttechnik als gute Lehrmethode ein (Ø 2,0 ± 0,37) und gaben zahlreiche Vorteile der Zweischichttechnik an. Die digitale Auswertung der präparierten Zähne konnte unter den Limitationen der vorliegenden Studie keine signifikant schlechtere Präparationsqualität nach zweimaligem Präparieren von einschichtigen Modellzähnen als nach zweimaligem Präparieren von zweischichtigen Übungszähnen nachweisen (p = 0,91). Der Lernerfolg der Studierenden erwies sich durch in Zweischichttechnik gedruckte Zähne mit integriertem Veneer nicht besser als durch einschichtige Modellzähne (〖ΔL〗_A= -0,01; 〖ΔL〗_B= -0,03). Der Unterschied zwischen den Präparationsergebnissen des ersten und vierten Durchgangs war allerdings nicht signifikant (Gruppe A: Ø GMW+/- 0,17 ± 0,07 → Ø GMW+/- 0,18 ± 0,05, p = 0,317; Gruppe B: Ø GMW+/- 0,15 ± 0,07 → 0,18 ± 0,09, p = 0.066). Gründe hierfür könnten unter anderem Ermüdung und sinkende Motivation während des praktischen Kurses gewesen sein. Diesem Problem könnte Rechnung getragen werden, indem folgende Studien an mehreren Terminen durchgeführt werden. Auch eine mögliche Fokussierung der Studierenden auf das Ablösen der oberen Schicht sowie die unterschiedliche Härte der beiden Schichten könnten einen besseren Lernerfolg mit zweischichtigen Übungszähnen verhindert haben. Die Teilnehmer, die ihre manuellen Fertigkeiten als besonders gut einschätzen, präparierten mit einer durchschnittlichen mittleren absoluten Abweichung von 0,17 ± 0,07 nicht signifikant besser als die Teilnehmer mit geringer Selbsteinschätzung, welche eine mittlere absolute Abweichung von 0,16 ± 0,05 (p = 0 ,967) erreichten. / In the present study, students prepared 3D-printed training teeth in which the correct preparation of a veneer was contrasted in color. The new teaching method was evaluated by the participants in a questionnaire and the preparations were also digitally compared with a reference preparation. The participants in the practical course rated the two-shift technique as a good teaching method (Ø 2.0 ± 0.37) and cited numerous advantages of the two-shift technique. Given the limitations of the present study, the digital evaluation of the prepared teeth was unable to demonstrate a significantly worse preparation quality after preparing single-layer model teeth twice than after preparing two-layer training teeth twice (p = 0.91). The students' learning success was no better with teeth printed using the two-layer technique than with single-layer model teeth (〖ΔL〗_A= -0.01; 〖ΔL〗_B= -0.03). However, the difference between the preparation results of the first and fourth round was not significant (Group A: Ø GMW+/- 0.17 ± 0.07 → Ø GMW+/- 0.18 ± 0.05, p = 0.317; Group B: Ø GMW+/- 0.15 ± 0.07 → 0.18 ± 0.09, p = 0.066). Reasons for this could have been, among other things, fatigue and declining motivation during the practical course. This problem could be addressed by conducting the following studies on multiple dates. A possible focus by the students on the removal of the upper layer and the different hardness of the two layers could have prevented better learning success with two-layer training teeth. The participants who rated their manual skills as particularly good did not prepare significantly better, with an average mean absolute deviation of 0.17 ± 0.07, than the participants with low self-assessment, who had a mean absolute deviation of 0.16 ± 0.05 (p = 0.967).

Biofabrication technologies must address numerous parameters and conditions to reconstruct tissue complexity in vitro. A critical challenge is vascularization, especially for large constructs exceeding diffusion limits. This requires the creation of artificial vascular structures, a task demanding the convergence and integration of multiple engineering approaches. This doctoral dissertation aims to achieve two primary objectives: firstly, to implement and refine engineering methods for creating artificial microvascular structures using Melt Electrowriting (MEW)-assisted sacrificial templating, and secondly, to deepen the understanding of the critical factors influencing the printability of bioink formulations in 3D extrusion bioprinting. In the first part of this dissertation, two innovative sacrificial templating techniques using MEW are explored. Utilizing a carbohydrate glass as a fugitive material, a pioneering advancement in the processing of sugars with MEW with a resolution under 100 microns was made. Furthermore, by introducing the “print-and-fuse” strategy as a groundbreaking method, biomimetic branching microchannels embedded in hydrogel matrices were fabricated, which can then be endothelialized to mirror in vivo vascular conditions. The second part of the dissertation explores extrusion bioprinting. By introducing a simple binary bioink formulation, the correlation between physical properties and printability was showcased. In the next step, employing state-of-the-art machine-learning approaches revealed a deeper understanding of the correlations between bioink properties and printability in an extended library of hydrogel formulations. This dissertation offers in-depth insights into two key biofabrication technologies. Future work could merge these into hybrid methods for the fabrication of vascularized constructs, combining MEW's precision with fine-tuned bioink properties in automated extrusion bioprinting. / Biofabrikationstechnologien müssen zahlreiche Parameter und Bedingungen berücksichtigen, um die Komplexität von Gewebe in vitro zu rekonstruieren. Eine entscheidende Herausforderung ist die Vaskularisierung, insbesondere bei großen Konstrukten, die die Diffusionsgrenzen überschreiten. Dies erfordert die Schaffung künstlicher Gefäßstrukturen, eine Aufgabe, die die Konvergenz und Integration verschiedener technischer Ansätze erfordert. Mit dieser Dissertation sollen zwei Hauptziele erreicht werden: erstens die Implementierung und Verfeinerung technischer Methoden zur Herstellung künstlicher mikrovaskulärer Strukturen mit Hilfe des "Melt Electrowriting" (MEW) und zweitens die Vertiefung des Verständnisses der kritischen Faktoren, die die Druckbarkeit von Biotintenformulierungen beim 3D-Extrusions-Bioprinting beeinflussen. Im ersten Teil dieser Dissertation werden zwei innovative Opferschablonentechniken unter Verwendung von MEW erforscht. Unter Verwendung eines Kohlenhydratglases als flüchtiges Material wurde ein bahnbrechender Fortschritt bei der Verarbeitung von Zuckern mit MEW mit einer Auflösung von unter 100 Mikrometern erzielt. Darüber hinaus wurden durch die Einführung der "Print-and-Fuse"-Strategie als bahnbrechende Methode biomimetische, verzweigte Mikrokanäle hergestellt, die in Hydrogelmatrizen eingebettet sind und anschließend endothelialisiert werden können, um die vaskulären Bedingungen in vivo wiederzugeben. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit dem Extrusions-Bioprinting. Durch die Einführung einer einfachen binären Biotintenformulierung wurde die Korrelation zwischen physikalischen Eigenschaften und Druckbarkeit aufgezeigt. Im nächsten Schritt wurde durch den Einsatz modernster Methoden des maschinellen Lernens ein tieferes Verständnis für die Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Biotinte und der Druckbarkeit in einer erweiterten Bibliothek von Hydrogelformulierungen gewonnen. Diese Dissertation bietet tiefe Einblicke in zwei Schlüsseltechnologien der Biofabrikation. Zukünftige Arbeiten könnten diese zu hybriden Methoden für die Herstellung vaskularisierter Konstrukte zusammenführen und dabei die Präzision von MEW mit fein abgestimmten Biotinteneigenschaften im automatisierten Extrusionsbioprinting kombinieren.

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. / In-vitro-Modelle sind Werkzeuge, die die gewebespezifische Anatomie nachbilden und eine wesentliche Rolle in der personalisierten Medizin und bei der Behandlung von Krankheiten spielen. Als hochentwickelte, multifunktionale Fertigungstechnologie überwindet der 3D-Druck die Grenzen herkömmlicher Technologien und bietet ein hervorragendes Potenzial für die Herstellung von In-vitro-Modellen. Der 3D-Druck ist eine der vielversprechendsten Techniken, um biologische Materialien in einer komplexen Anordnung zusammenzusetzen, die das natürliche Gewebe nachahmt. In dieser Arbeit soll das Potenzial der hochauflösenden 3D-Drucktechnologie melt electrowriting (MEW), für die Herstellung von In-vitro-Modellen untersucht werden. Wir konzentrieren uns auf drei Ansätze: 1) die Erweiterung der MEW-Polymerbibliothek für verschiedene biomedizinische Anwendungen, 2) die Entwicklung von In-vitro-Modellen zur Bewertung des Zellwachstums und der Zellmigration in Richtung der verschiedenen Matrizes und 3) die Untersuchung der Auswirkungen von MEW-Gerüstdesigns und biochemischen Faktoren der Mikroumgebung auf Zellen. Zunächst haben wir die MEW-Verarbeitbarkeit von segmentierten (AB)n- und (ABAC)n-Copolymeren vorgestellt, die eine thermisch reversible Netzwerkformulierung auf der Grundlage physikalischer Vernetzungen aufweisen. Bisurea-Segmente werden mit hydrophoben hydrophobic poly(dimethyl siloxane) (PDMS) oder hydrophilen poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide) (PPO-PEG-PPO) Segmenten kombiniert, um die (AB)n segmentierten Copolymere zu bilden. Segmentierte (ABAC)n-Copolymere enthalten alle drei Segmente: Zusätzlich zu den Bisurea-Segmenten sind sowohl hydrophobe als auch hydrophile Segmente in derselben Polymerkette vorhanden, was den segmentierten (ABAC)n-Copolymeren abstimmbare mechanische und biologische Eigenschaften verleiht. MEW-Copolymere unterstützten entweder die Anhaftung an Zellen oder lösten sich ohne zytotoxische Nebenwirkungen auf, wenn sie in niedrigeren Konzentrationen mit ihnen in Berührung kamen, was darauf hindeutet, dass diese Copolymerklasse über umfassende biologische Eigenschaften verfügt. Die einzigartigen biologischen Eigenschaften und Oberflächeneigenschaften, die Transparenz und die einstellbare Hydrophilie dieser Copolymere könnten in verschiedenen In-vitro-Modellen von Vorteil sein. Das zweite Manuskript befasst sich mit einem durch MEW hergestellten wettbewerbsfähigen 3D-Radialmigrationsdesign. Der Ansatz unterscheidet sich vom Großteil der MEW-Literatur, da MEW nicht zur Herstellung von invasiven Zellgerüsten verwendet wurde, sondern zur Herstellung eines In-vitro-Designs diente. Das Design wurde verwendet, um systematisch die Matrix zu bestimmen, die die Zellmigration und das Wachstum von Glioblastomzellen fördert. Die Migration der Glioblastomzellen wurde auf vier verschiedenen Matrigel-Konzentrationen unter Verwendung einer durch MEW hergestellten Radialvorrichtung getestet. Das Wachstum und die Migration der Glioblastomzellen U87 nahmen bei Matrigelkonzentrationen von 6 und 8 mg mL-1 zu. Wir untersuchten auch die Genauigkeit und Präzision der durch MEW erzeugten Kreisformen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Druckgeschwindigkeit und der Designdurchmesser wesentliche Parameter für die Genauigkeit der gedruckten Konstrukte sind. Die Arbeit ist die erste Studie, die MEW für die Herstellung von In-vitro-Modellen verwendet. Im letzten Manuskript wurde der Einfluss von biochemische Funktionalisierung in Kombination mit Gerüstdesigns auf Astrozyten und Glioblastome untersucht. Die kastenförmigen und achteckigen MEW-Gerüste wurden mit biochemischen Wirkstoffen modifiziert, darunter RGD- und IKVAV-Peptide unter Verwendung von reaktivem NCO-sP(EO-stat-PO). Wir fanden heraus, dass Astrozyten und Glioblastomzellen unterschiedliche Phänotypen auf den verschiedenen Designs und mit Peptiden beschichteten Gerüsten aufweisen.

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, ... / Introduction With a tooth survival rate of 84% after a six-year period, a root-canal treatment represents a conservative therapeutic alternative to surgical interventions (Torabinejad, Anderson et al. 2007, Tsesis, Nemkowsky et al. 2010, Zitzmann, Krastl et al. 2010). Attention should be paid to a high-quality education in particular, as it lays the foundation to perform a sufficient and long-lasting root-canal treatment (Lin, Rosenberg et al. 2005). Different training models in students’ training of skills to perform a root-canal treatment have been established in order to simulate a realistic patient situation, ranging from resin blocks to extracted teeth (Perry, Bridges et al. 2015). Thanks to the possibility of 3D-printing, new 3D-printed teeth are being used as a simulation model in training of dental students (Höhne and Schmitter 2019, Reymus, Fotiadou et al. 2019). To determine the quality and learning success with 3D-printed teeth in endodontic training, a questionnaire was developed and validated, and the utilized 3D-printed tooth was evaluated. Materials and Methods In order to answer the central research questions of this study, a pilot study took place in the winter term of 2017/18 with 41 students, and a validation study took place in the summer term of 2018 and in the winter term 2018/19 with 88 students in their respective sixth semester. The root-canal treatment in both cohorts was practiced with resin blocks, extracted real teeth and 3D-printed teeth. Finally, the training models were evaluated using a questionnaire. The questionnaire was developed with a team of experts and included eight different categories, comprising personal data, conditions for the course, comparison of characteristics between a 3D-printed tooth, a resin block and an extracted tooth, estimated learning outcome, effects of training, ...

The aim of this thesis was the preparation of a biomaterial ink for the fabrication of chemically crosslinked hydrogel scaffolds with low micron sized features using melt electrowriting (MEW). By developing a functional polymeric material based on 2-alkyl-2-oxazine (Ozi) and 2-alkyl-2-oxazoline (Ox) homo- and copolymers in combination with Diels-Alder (DA)-based dynamic covalent chemistry, it was possible to achieve this goal. This marks an important step for the additive manufacturing technique melt electrowriting (MEW), as soft and hydrophilic structures become available for the first time. The use of dynamic covalent chemistry is a very elegant and efficient method for consolidating covalent crosslinking with melt processing. It was shown that the high chemical versatility of the Ox and Ozi chemistry offers great potential to control the processing parameters. The established platform offers straight forward potential for modification with biological cues and fluorescent markers. This is essential for advanced biological applications. The physical properties of the material are readily controlled and the potential for 4D-printing was highlighted as well. The developed hydrogel architectures are excellent candidates for 3D cell culture applications. In particular, the low internal strength of some of the scaffolds in combination with the tendency of such constructs to collapse into thin strings could be interesting for the cultivation of muscle or nerve cells. In this context it was also possible to show that MEW printed hydrogel scaffolds can withstand the aspiration and ejection through a cannula. This allows the application as scaffolds for the minimally invasive delivery of implants or functional tissue equivalent structures to various locations in the human body. / Das Ziel dieses Projekts war die Herstellung einer Biomaterialtinte, welche die Herstellung chemisch vernetzter, mikrostrukturierter Hydrogelgerüste mittels Melt Electrowriting (MEW) ermöglicht. Die Verwendung von speziell auf den schmelzbasierten 3D Druck angepassten polyoxazinbasierten Polymeren und die Anwendung von dynamisch kovalenter Chemie ermöglichte es, dieses Ziel zu erreichen. Dies ist ein wichtiger Schritt für die aufstrebende, additive Fertigungstechnologie MEW, da nun erstmals weiche und hydrophile Strukturen erzeugt werden können. Speziell die Verwendung der dynamischen Diels-Alder (DA) Chemie ist ein effizienter Weg, die Fertigung von kovalent vernetzten Strukturen mit der Schmelzprozessierung zu vereinen. Es wurde weiterhin gezeigt, dass die hier etablierte Materialplattform die Möglichkeit zur Modifikation mit biologischen und chemischen Signalen bietet. Dies ist besonders für biologische Anwendungen unerlässlich. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Materials lassen sich leicht auf potentielle Anwendungen anpassen und das Potential für den 4D Druck wurde ebenfalls hervorgehoben. Alles in Allem legt diese Arbeit den Grundstein für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen sowohl in der Biomedizin als auch in anderen Bereichen.

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. / Im Rahmen dieser Arbeit wird melt electrowriting (MEW), eine hochauflösende additive Fertigungstechnik, zur Herstellung von Polymerfasern im unteren Mikrometerbereich eingesetzt. Neue Materialien, hauptsächlich elektroaktive Polymere (EAPs) auf Basis von Poly(vinylidendifluorid) (PVDF), werden hinsichtlich ihrer Druckbarkeit untersucht, um die Liste der prozessierbaren Materialien für diese Technologie zu erweitern.

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

Introduction: No commercially available solution to improve the teaching of a crown preparation directly on typodont teeth exists at the moment. To fill this gap and support the supervisors of dental courses, a printable and inexpensive tooth was created for structured self-assessment. The aim of this study was to test this printable tooth under realistic pre-clinical situations. Materials and methods: A two-coloured, double-layer practice tooth was developed. This tooth was consisting of a layer for a correct preparation and the crown. All printed teeth were produced with a stereolithographic printer. 35 voluntary secondyear dental students in the second pre-clinical course in prosthodontics were randomly divided into two groups. All students had experience with typodont teeth and models. The first group was trained on four standard model teeth. The second group used model teeth for the first and fourth attempt and printed teeth for second and third attempt. The preparations of the students were scanned by an in-lab scanner and the surface deviations in contrast to a perfect preparation were measured. The differences between the first and fourth attempt were calculated. Benefits of the printed tooth were also evaluated by a questionnaire using German school grades completed by the students (1 = Excellent, 2 = Good, 3 = Satisfactory, 4 = Adequate, 5 = Poor, 6 = Unsatisfactory). Results: The workflow was feasible and cost-effective regarding the production of the printed teeth. The overall rating of the printed tooth in the questionnaire was good (Ø 2.1 ± 0.22). Students reported different advantages of this method in the free text. The comparison of the preparation between the first and fourth attempt showed that there was a significant better preparation with the printed teeth. The complete preparation had median values of 0.05 mm (Group1: standard model tooth) and −0.03 mm (Group2: printed tooth) (P = .005). Divided into single surfaces, the vestibular and occlusal regions were significantly better. The vestibular surface was 0.11 mm (Group1) and −0.04 mm (Group2) (P = .018). The occlusal surface was 0.13 mm (Group1) and −0.05 mm (Group2) (P = .009). Conclusions: The aim of this study was fulfilled. The printed tooth was tested successfully in a pre-clinical course. The feasibility of this teaching concept was confirmed by the questionnaire and the analysis of the preparation form. A significant difference to a standard model tooth was measurable. The students had the possibility to learn a correct crown preparation on a standardised two-layered tooth with included preparation. This printed tooth enabled the students to control the crown preparation directly on their own. / 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.