Ziel der vorliegenden Arbeit war die biologische Charakterisierung neuartiger nanostrukturierter und für die Knochenregeneration geeigneter Calciumphosphatzemente (CPC). Hierzu wurde ein aus α-Tricalciumphosphat, Calciumhydrogenphosphat, gefälltem Hydroxylapatit und Calciumcarbonat bestehender CPC verwendet, der mit den Biomolekülen Cocarboxylase, Glucuronsäure, Weinsäure, Glucose-1-phosphat, Arginin, Lysin und Asparaginsäure-Natriumsalz modifiziert wurde. Ermittelt wurde dabei der Einfluss der Modifikationen auf die Proteinadsorption und die Biokompatibilität. In Vorversuchen wurden die Zementmodifikationen hinsichtlich ihrer Bindungskapazität für humane Serumproteine und für das knochenspezifische Protein Osteocalcin (OC) sowie hinsichtlich ihrer Eignung für die Adhäsion, Proliferation und osteogene Differenzierung von humanen fötalen Osteoblasten (hFOB 1.19) und humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) untersucht. Dabei erwiesen sich die Modifikationen mit Cocarboxylase, Arginin und Asparaginsäure-Natriumsalz als besonders günstig. Mit diesen „Favoriten“ erfolgte eine detailliertere Analyse der Adsorption humaner und boviner Serumproteine sowie der knochen-spezifischen Proteine Osteocalcin, BMP-2 und VEGF. Dabei führte sowohl der Zusatz von Cocarboxylase, als auch der von Arginin und Asparaginsäure-Natriumsalz zu einer erhöhten Adsorption von Serumproteinen. Die Bindungsaffinität des Basiszements gegenüber Osteocalcin, BMP-2 und VEGF konnte durch Funktionalisierung mit Arginin gesteigert werden. Während die Modifizierung mit Cocarboxylase nur die VEGF-Adsorption förderte, bewirkte der Zusatz von Asparaginsäure-Natriumsalz eine Erhöhung der Osteocalcin- und BMP-2-Adsorption. Bedingt durch die größere spezifische Oberfläche der noch nicht abgebundenen Zemente, war die Menge adsorbierter Proteine auf frisch hergestellten Zementproben im Vergleich zu abgebundenen und ausgehärteten Zementen signifikant höher. Die Eignung der ausgewählten Zementvarianten als Knochenersatzmaterialien wurde mithilfe humaner mesenchymaler Stammzellen zweier verschiedener Spender getestet. Bei Verwendung abgebundener und ausgehärteter Zemente waren die hMSC in der Lage, auf allen Modifikationen zu adhärieren, zu proliferieren und in die osteogene Richtung zu differenzieren. Eine vorherige Inkubation der Zementproben mit humanem Serum förderte dabei vor allem die Zelladhäsion. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass hMSC im Gegensatz zu anderen Studien auch auf frisch hergestellten Zementproben adhärieren, proliferieren und differenzieren können. Die Modifizierung des Basiszements mit Cocarboxylase führte hierbei zu einer gegenüber den anderen Modifikationen signifikant erhöhten Zelladhäsion und -vitalität. Neben den verschieden modifizierten Pulver/Flüssigkeitszementen wurden im Rahmen dieser Arbeit neuartige ready-to-use Zementpasten untersucht. Diese zeigten allerdings im Vergleich zu den herkömmlichen Zementen eine geringere Proteinbindungsaffinität. HMSC, die auf den Pastenzementen kultiviert wurden, war es wiederum möglich zu adhärieren, zu proliferieren und den osteoblastenspezifischen Marker Alkalische Phosphatase zu exprimieren. Hinsichtlich ihrer Biokompatibilität sind sie damit vergleichbar zu den herkömmlichen Pulver/Flüssigkeitszementen.

Das multiple Myelom ist eine seltene maligne Knochenerkrankung bei insbesondere älteren Menschen. Dabei vermehren sich im Knochenmark in hohem Maße unkontrolliert entartete Plasmazellen. Diese Myelomzellen unterdrücken einerseits die Bildung von normalen Plasmazellen, andererseits wird das Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau und –abbau empfindlich gestört, woraus eine erhöhte Knochenresorption resultiert. Neben den bisher angewandten Chemo- und Strahlentherapien gewinnen innovative Medikamente, wie Proteasominhibitoren und Bisphosphonate, in der Therapie an Bedeutung. Diese Medikamente reduzieren das Myelomzellwachstum und wirken hemmend auf den Knochenabbau. Durch das Auffüllen von durch Resorptionsprozesse geschädigten Knochendefekten mit wirkstoffbeladenen Calciumphosphatzementen (CPC) wird nicht nur der Knochen stabilisiert, sondern im Vergleich zur herkömmlichen oralen oder intravenösen Medikamentenverabreichung eine gezielte Freisetzung des Wirkstoffes direkt am Wirkort in wesentlich reduzierten Dosen ermöglicht. Durch die Kombination des Knochenzementes mit anderen effizienten Drug-Delivery-Systemen (DDS), wie z. B. Polymeren, kann eine optimale Anpassung der Wirkstofffreisetzung ermöglicht werden. Insbesondere haben sich bereits dendritische Polymere aufgrund ihrer globularen Struktur und Vielzahl an peripheren Funktionalitäten als besonders geeignete Wirkstoffträgersysteme herausgestellt. Bei der Anwendung im physiologischen System spielt insbesondere die Biokompatibilität dieser polymeren DDS eine entscheidende Rolle. Durch Modifizierung der peripheren Gruppen mit biokompatiblen Einheiten, wie Oligosacchariden oder Aminosäuren, kann die physiologische Verträglichkeit signifikant erhöht werden. Für die Behandlung des multiplen Myeloms am Knochen sollte in dieser Arbeit ein geeignetes dendritisches DDS auf Basis von hochverzweigtem Polyethylenimin (PEI) synthetisiert und charakterisiert werden. Das DDS sollte dabei verschiedene Anforderungen, wie eine hohe Wasserlöslichkeit und Biokompatibilität, erfüllen. Weiterhin sollten die mechanischen Eigenschaften des CPC nicht negativ beeinflusst werden und der Wirkstoff sollte effektiv vom DDS aufgenommen und kontrolliert aus dem generierten Komposit (Wirkstoff/DDS/CPC) freigesetzt werden. In der sogenannten N-Carboxyanhydrid (NCA)-Polymerisation wurden am PEI(5) (5 ≙ Mw 5 kDa) benzylgeschützte Polyglutaminsäure bzw. Polyasparaginsäureketten aufgepfropft. Durch hydrolytische Abspaltung der Schutzgruppen an den PBLG-Ketten von PEI(5)-PBLG-346 und PEI(5)-PBLA-346 erfolgte die Generierung der wasserlöslichen DDS PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PAsp-346. Die Charakterisierung der synthetisierten Kern-Schale-Architekturen PEI(5)-PBLG-346, PEI(5)-PBLA-346, PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PAsp-346 zeigte, dass nur wenige lange Polyaminosäureketten an wenigen primären und sekundären Aminogruppen des PEI(5) aufgebaut wurden. Aufgrund der noch freien primären und sekundären Aminogruppen am PEI(5) und den peripheren Aminogruppen an den Polyaminosäureketten wurden durch die Anbindung von Maltose- bzw. Laktoseeinheiten Kern-Schale-Architekturen mit einer binären Doppelschalenstrukturen erzeugt. Im Gegensatz zu reiner Polyglutaminsäure zeigten die mit Glutaminsäure modifizierten Polymerstrukturen PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PGlu-346-Mal interessante strukturelle Eigenschaften in wässriger Umgebung. Aufgrund des pH-abhängigen Ladungszustandes resultiert bei reinen Polyglutaminsäureketten normalerweise der typische Helix-Coil-Übergang. Dabei findet eine Konformationsumwandlung der α-helikalen Struktur zur ungeordneten Sekundärstruktur statt. Im Falle der PEI(5)-PGlu-346- und PEI(5) PGlu-346-Mal-Copolymere wurde jedoch keine α-helikale Konformation bei niedrigem pH-Wert nachgewiesen. Die PGlu-Ketten der wasserlöslichen Kern-Schale-Architekturen bildeten sowohl im sauren, als auch im basischen pH-Wertbereich eine ungeordnete Sekundärstruktur aus. Zusätzlich konnte nachgewiesen werden, dass die Kern-Schale-Architekturen in Abhängigkeit vom pH-Wert als isolierte Makromoleküle bzw. Aggregate mit unterschiedlich lang gestreckten Peptidketten vorliegen. Die Ursache dafür sind nicht-kovalente, intra- und intermolekular wirkende Kräfte. Zur Beurteilung der Kern-Schale-Architekturen als geeignete DDS wurde die Komplexierung des Proteasominhibitors Bortezomib (BZM) in die reinen Copolymere PEI(5)-PGlu-346, PEI(5)-PGlu-346-Mal und PEI(25)-Mal B (25 ≙ Mw 25 kDa, ohne Polyglutaminsäureketten) sowie deren Polyelektrolytkomplexe untersucht. Dabei wurden Copolymer/BZM- bzw. PEK/BZM-Komplexe in verschiedenen Verhältnissen hergestellt und die Komplexierungskapazität durch zeitabhängige Ultrafiltration UV/Vis-spektroskopisch ermittelt. Im Vergleich zu den glutaminsäuremodifizierten Copolymeren wurde durch PEI(25)-Mal B etwa doppelt so viel Wirkstoff in verschiedenen wässrigen Systemen aufgenommen. Der Grund dafür ist der größere PEI-Kern und die dementsprechend höhere Anzahl an peripheren Aminogruppen mit gebundenen Maltoseeinheiten. Die PEK zeigten im Vergleich zu den Copolymeren keine Verbesserung der Komplexierungskapazität. Um eine effektive Wirkstofffreisetzung für eine dosierte Langzeittherapie aus dem Kompositmaterial zu erhalten, ist eine stark verzögerte Freisetzung des Copolymers bzw. PEK selbst aus dem CPC notwendig. In Abhängigkeit von der Konzentration wurde für PEI(25)-Mal B eine geringere Freisetzung aus dem Copolymer/CPC- und PEK/CPC ermittelt. Aufgrund der nanoskaligen Dimension der polymeren Strukturen wird die Diffusion durch das offene CPC-Porensystem erschwert. Für die PEI(5)-PGlu-346, PEI(5)-PGlu-346-Mal und die zugehörigen PEK wurde hingegen keine messbare Freisetzung aus dem CPC nachgewiesen. Die Glutaminsäureeinheiten können Calciumionen komplexieren und beeinflussen dadurch die Keimbildung und das Wachstum der CaP-Phase. Die Copolymerstrukturen werden somit in den CPC integriert und können nur durch Abbau des schwerlöslichen Zementes freigesetzt werden. Bei den Untersuchungen der BZM-Freisetzung aus den BZM/Copolymer/CPC- und BZM/PEK/CPC-Kompositen kristallisierte sich BZM/PEI(5)-PGlu-346-Mal/CPC als effektivstes DDS heraus. Im Vergleich zum reinen BZM in CPC wurde nach 24 h nur etwa die Hälfte des Wirkstoffes aus dem Komposit freigesetzt. Weiterhin steigerte sich die Freisetzungsrate über den gesamten Zeitraum von 14 Tagen auf nur etwa 60 %. Aus dem BZM/CPC-Komposit wurden nach 14 Tagen mehr als 75 % BZM freigesetzt. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Michael Gelinsky vom Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung (TU Dresden) wurde keine signifikante Änderung der Druckfestigkeit des CPC durch die Integration der glutaminsäuremodifizierten Copolymere festgestellt. Weiterhin wurde in in vitro-Untersuchungen mit osteogen stimulierten humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) kein entscheidender Einfluss der in dieser Arbeit hergestellten PEI(5)-PGlu-346- und PEI(5)-PGlu-346-Mal-Copolymere auf die Proliferation der Zellen beobachtet. Zudem war bei beiden Copolymeren eine osteogene Differenzierung der hMSC zu knochenbildenden Osteoblasten nachweisbar, wobei PEI(5)-PGlu-346-Mal die Entwicklung der Stammzellen zu knochenbildenden Zellen sogar zu fördern scheint. Durch die Kombination von hochverzweigtem PEI mit Polyglutaminsäure und Maltose wurde in dieser Arbeit ein innovatives DDS für die kontrollierte und effektiv verzögerte Freisetzung von BZM aus CPC erzeugt, welches die einleitend erwähnten Anforderungen erfüllt. Das Copolymersystem weist eine hohe Biokompatibilität auf, ohne die mechanischen Eigenschaften des CPC zu verändern. Diese Arbeit hat daher einen entscheidenden Beitrag im Bereich der Wirkstofffreisetzung aus festen Materialien geliefert und bildet die Grundlage für zukünftige polymere DDS in CPC.

Hintergrund: Die Anzahl von Knochenfrakturen im Zusammenhang mit Traumata, sowie osteoporosebedingten Fragilitätsfrakturen oder auch Knochendefekten in Folge von Tumorresektionen steigt stetig an. Die Nutzung autologen, aber auch allogenen und xenogenen Spendermaterials ist limitiert. Eine vielversprechende Alternative sind Knochenkonstrukte, die über einen Tissue Engineering-Ansatz hergestellt werden. Dabei werden resorbierbare Biomaterialien mit biologisch aktiven Substanzen wie Wachstumsfaktoren oder Zellen kombiniert. Diese funktionalisierten Konstrukte regen nach einer Implantation in den Patienten die gesunde Knochensubstanz zur Heilung an und resorbieren idealerweise zugunsten des nachwachsenden, natürlichen Knochens. Eine neuartige Form des Tissue Engineerings ist der 3D-Biodruck („Bioprinting“), bei dem biologisch aktive Proteine und/oder Zellen mit Biomaterialien vermischt werden und anschließend durch ein additives Fertigungsverfahren zu Konstrukten verarbeitet werden. Dies hat einige Vorteile: Z.B. die Fertigung eines patientenspezifischen Konstrukts, welches direkt an den Defekt angepasst ist, aber auch eine gute Einstellbarkeit der Porosität des finalen Konstrukts, was vorteilhaft für die Nährstoffversorgung und Vaskularisierung sein kann. Vor allem erlaubt es eine ortsaufgelöste Verteilung, wodurch beispielsweise Zellen in einem Konstrukt so positioniert werden können, dass diese zu einem gewebeähnlichen Knochenkonstrukt reifen können. Fragestellung: Im letzten Jahrzehnt wurden einige technologische Fragestellungen im Bereich des Bioprintings gelöst. Für das Knochen-Tissue Engineering sind bisher allerdings nur wenige Ansätze präsentiert wurden. Dies liegt unter anderem daran, dass im Bioprinting vor allem Hydrogele verarbeitet werden. Diese sind allerdings sowohl chemisch, als auch mechanisch weit von natürlichem Knochengewebe entfernt und daher weniger als Knochenersatz geeignet. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, ob (Bio-)printing eine für Knochen-Tissue Engineering-Strategien geeignete Methode ist. Dazu wurden zwei vielversprechende Ansätze verfolgt: (I) Mehrphasendruck von bioaktiven Calciumphosphatzementen in Kombination mit Zellen oder mit Wachstumsfaktoren funktionalisierten, biologisch aktiven Hydrogelen. (II) Entwicklung einer neuen Bioink, indem ein wachstumsfaktor- oder zellbeladenes Hydrogel mit einem bioaktiven Füllstoff geblendet wird. Die in der Doktorarbeit vorgestellten Studien sollen dabei insbesondere die Entwicklung dieser Ansätze darstellen, sowie deren Grenzen aufzeigen. Zusätzlich sollen grundlegende mechanische und biologische Eigenschaften der biogedruckten Knochenkonstrukte untersucht werden. Materialien und Methoden: Eine Technologie, die das Prinzip des Bioprintings ermöglicht, ist das sogenannte 3D-Plotten. Mit Hilfe eines Multikanal-Plotters können mehrphasige Konstrukte (Ansatz I), aber natürlich auch einphasige Konstrukte (Ansatz II) hergestellt werden. Für Ansatz I wurde ein klinisch zugelassener Calciumphosphatzement (CPC) als bioaktive Komponente verwendet. Für Ansatz II wurde ein bisher noch wenig erforschtes Nanomaterial namens Laponit verwendet, welches großes Potential für das Tissue Engineering besitzt. Die Biopoylmere Alginat und Methylcellulose bildeten die Grundlage für plottbare, wachstumsfaktor- und zellbeladene Pasten (Biomaterial-inks bzw. Bioinks). Zur Entwicklung einer spezifischen Bioink wurde humanes gefrorenes Frischplasma verwendet. Die rheologischen Eigenschaften neu entwickelter Biomaterial-inks und Bioinks, sowie die mechanischen Eigenschaften der geplotteten Hydrogele wurden charakterisiert. Weitere Untersuchungen schlossen die Quellung der Hydrogele und die Porosität der Konstrukte ein. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Formgenauigkeit der geplotteten Strukturen gelegt. Entsprechend der Untersuchungsansätze wurden verschiedene Zelltypen verwendet, insbesondere mesenchymale Stammzellen (MSC), die direkt mit der Paste verdruckt wurden. Als Modellwachstumsfaktor diente der angiogene vascular endothelial growth factor (VEGF). Dessen Freisetzung aus geplotteten Scaffolds wurde mittels ELISA überprüft; die biologische Aktivität wurde anhand des Wachstums von humanen Nabelschnurendothelzellen (HUVEC) untersucht. Ergebnisse: Zunächst wurde untersucht, ob Multikanal-Plotten geeignet ist, um CPC-Konstrukte patientenindividuell zu fertigen. Dies wurde mit Hilfe einer auflösbaren Methylcellulosepaste erreicht. Dieses Verfahren erlaubte die Herstellung von inneren Kavitäten, die mit anderen Herstellungsverfahren nicht möglich gewesen wären. Darüber hinaus konnte aus einem CT-Scan einer Hand ein Kahnbein extrahiert und virtuell modelliert werden, welches mit hoher Formgenauigkeit geplottet werden konnte. Es wurde gezeigt, dass dies auch auf biphasige Konstrukte aus CPC und einer Bioink anwendbar ist. Dies wurde durch die Entwicklung und Verarbeitung von Bioinks ermöglicht. Biogedruckte Zellen können in vitro und in vivo spezifische biologische Effekte bewirken. Dazu wurden innerhalb der Arbeit zwei Bioinks als plottbare Zellträgermaterialien entwickelt. Eine Bioink enthielt das Nanomaterial Laponit (Ansatz II), welches bereits in anderen Studien vorteilhafte Effekte für Knochen-Tissue Engineering-Ansätze gezeigt hat. Die neuentwickelte Laponit-haltige Bioink erlaubte die Fabrikation von Konstrukten mit hoher Formgenauigkeit. Darüber hinaus war die Zellviabilität, sowie die Zelldichteentwicklung erhöht im Vergleich zu einer Laponit-freien Kontrolle. Da Laponit eine heterogene Ladungsverteilung aufweist, wurde überprüft, inwieweit es ein geeignetes Freisetzungssystem für VEGF darstellt. Scaffolds, die aus einer VEGF-haltigen Paste hergestellt wurden, wiesen ein deutlich verändertes Freisetzungsprofil in Anwesenheit von Laponit auf, als Scaffolds ohne Laponit. So konnte eine initiale Freisetzung (Burstrelease) vermieden und gleichzeitig eine gleichmäßige Freisetzung beobachtet werden. VEGF war auch nach längerer Zeit im Scaffold noch biologisch aktiv. Die zweite Bioink wurde auf Basis gefrorenen, menschlichen Frischplasmas entwickelt. Blutplasma enthält Fibrinogen, das eine RGD-Sequenz für die Anheftung von MSC besitzt. Biogedruckte MSC, aber auch präosteoblastäre Zellen, zeigten eine hohe Neigung, sich in der Bioink aufzuspreizen, was für eingekapselte Zellen erschwert ist. Die plasmahaltige Bioink war dazu geeignet, zusammen mit CPC zu biphasigen Konstrukten (Ansatz I) verarbeitet zu werden. \par Dazu musste zunächst ein Postprozessierungsprotokoll für biphasige Konstrukte aus CPC und zellhaltigen Bioinks entwickelt werden. Aus vorherigen Studien ist bekannt, dass geplottete CPC-Konstrukte in wässrigen Lösungen Mikrorisse bilden, die die mechanischen Eigenschaften signifikant verschlechtern. Die Ausbildung der Mikrorisse kann durch eine Aushärtung in wasserdampfgesättigter Atmosphäre vermieden werden. In biphasigen Konstrukten mit Bioinks sollte diese Aushärtungsphase allerdings nur kurz sein, da eine lange Inkubation ohne wässrige Zellmedien zu einem Absterben der biogedruckten Zellen führen würde. Es konnte gezeigt werden, dass eine Inkubation für 20 min in wasserdampfgesättigter Atmosphäre ausreichend ist, um die Ausbildung von Mikrorissen im CPC zu vermeiden. Diese Zeitspanne konnte von den Zellen toleriert werden. In Kombination mit der plasmahaltigen Bioink wurde eine starke Proliferation und osteogene Reifung von biogedruckten präosteoblastären Vorläufern beobachtet. Schlussfolgerungen: In der vorliegenden Doktorarbeit wurde das Prinzip des extrusionsbasierten Biodrucks (3D-Plotten) verwendet, um biofunktionelle Konstrukte herzustellen. Dies erfolgte entweder durch die Beladung mit Wachstumsfaktoren oder mit Zellen vor der Fabrikation der Konstrukte. Bioaktive Materialien wurden entweder durch Multikanal-Plotten oder durch Supplementierung einer Bioink eingebracht. Beide Ansätze können prinzipiell sogar miteinander kombiniert werden. Die erzielten Ergebnisse belegen, dass Bioprinting eine geeignete Methode für das Knochen-Tissue Engineering darstellt. Patientenindividualisierte Konstrukte können mit dieser Technologie gefertigt werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend können weitere Untersuchungen in vivo die Wirksamkeit der vorgestellten Ansätze überprüfen und neue Therapieansätze für die Heilung von Knochendefekten entwickelt werden.:Abstract 9 Zusammenfassung 13 Index of Abbreviations 19 List of Figures 20 Preface 23 i generalis 1 introduction to the topic 29 1.1 Background 29 1.2 Terminology 29 1.3 Physiological Properties of Bone Tissue 31 1.3.1 Composition of Bone 31 1.3.2 Bone Cytology 33 1.3.3 Crosstalk 34 1.4 Bone Grafting 34 1.4.1 Biopolymers 35 1.4.2 Calcium Phosphates 38 1.4.3 Nanoclays 41 1.5 Additive Manufacturing in Medicine & Bioprinting 43 1.5.1 Additive Manufacturing in Tissue Engineering 43 1.5.2 Bioprinting Techniques 44 1.6 Bioinks & Biomaterial Inks 48 1.6.1 Rheology 48 1.6.2 Plottability & Shape Fidelity 49 1.6.3 Post-Processing 52 1.6.4 Biocompatiblity & Biodegradation 53 1.6.5 The Biofabrication Window 53 2 aim of the thesis 55 2.1 Preliminary Studies 55 2.2 Research Questions 57 ii specialis 3 A methylcellulose hydrogel as support for 3D plotting of complex shaped calcium phosphate scaffolds 61 4 Development of a clay based bioink for 3D cell printing for skeletal application 77 5 Bioprinting of mineralized constructs utilizing multichannel plotting of a self-setting calcium phosphate cement and a cell-laden bioink 97 6 A novel plasma-based bioink stimulates cell proliferation and differentiation in bioprinted, mineralized constructs 113 iii conclusio 7 Summary & Conclusion 133 7.1 Bioprinting of bone tissue constructs 133 7.2 Technological Improvements 134 7.3 Bioink Development 136 7.4 Limitations & Future Research Directions 138 Bibliography 140 Danke 155 Appendix Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 165 Erklärung über die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen 166 Auszug aus dem Journal Citation Report 166 Conferences 167 / Background: The number of trauma-related bone fractures, fragility fractures resulting from osteoporosis or bone defects after tumor resections is increasing. The usability of autologous, but also allogenous and xenogenous bone grafts is limited. Bone grafts being manufactured using a tissue engineering approach are a promising alternative. For this, resorbable biomaterials are combined with biological components such as cells and growth factors. These functionalized constructs stimulate the formation of novel bone tissue after implantation in the patient and resorb in favor of regrowing, native bone. A new form of tissue engineering is 3D bioprinting. Biologically active proteins and/or cells are mixed with biomaterials and get fabricated to constructs by a convenient additive manufacturing technology. This offers great advantages. For example, the patient-specific tissue engineered constructs can be manufactured fitting exactly to the respective defect. Further, it allows full control about the porosity of the final construct which is considered to be advantageous for nutrient supply and vascularization. Most crucial, it allows the spatial distribution of cells within the three-dimensional construct, which facilitate the maturation of the construct to the tissue-like graft. Research Questions: In the last decade some technological challenges in the field of bioprinting have been solved. Nevertheless, for bone tissue engineering only a small number of approaches had been developed. One of the reasons for this is that bioprinting technologies usually enable the processing of materials that are chemically and mechanically rather distant from the bone, particularly hydrogels. These materials are less suitable as bone substitutes. The aim of this work was to research new approaches of extrusion-based (bio-)printing for bone tissue engineering strategies. For this purpose two promising approaches were investigated: (I) Multichannel printing of bioactive calcium phosphate cements in combination with biologically active hydrogels which were loaded either with growth factors or cells. (II) Development of a new bioink by supplementation of growth factor- or cell-laden hydrogels with a bioactive filler material. The presented studies of this thesis demonstrate the feasibility of these approaches as well as their limits. In addition, fundamental mechanical and biological properties of the bioprinted bone constructs are investigated. Materials and Methods: A technology that makes the principle of bioprinting possible is the so-called 3D plotting. With the aid of a multichannel plotter, multiphasic constructs can be fabricated (approach I), but of course also monophasic constructs are possible (approach II). For approach I, a clinically certified calcium phosphate cement (CPC) was used as bioactive component. For approach II, a less investigated nanomaterial called Laponite was used which was shown before to hold great potential for tissue engineering applications. The biopolymers alginate and methylcellulose formed the basis for plottable, growth factor-laden (biomaterial inks) and cell-laden (bioinks) pastes. For the development of one specific bioink, human fresh frozen plasma was used. Rheological properties of the newly developed biomaterial inks and bioinks were characterized, additionally mechanical properties of plotted constructs were investigated. Further studies investigated the swelling of the hydrogels and the porosity of the constructs. Particular attention was payed to the shape fidelity of the plotted structures. Different cell types were used according to the aim of the subject of research; special attention was payed to the use of mesenchymal stem cells which were plotted directly in combination with the biomaterial, forming the bioink. The angiogenic vascular endothelial growth factor (VEGF) was used as model protein for release studies from bioprinted structures; its biological activity was investigated by proliferation studies of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC). Results Firstly, it was investigated whether multichannel plotting is a suitable technology for the fabrication of patient-specific CPC constructs. This was achieved by plotting of a fugitive methylcellulose support ink. This procedure allowed the manufacturing of inner cavities which would not have been possible with other scaffold fabrication methods. Moreover, it was possible to extract a scaphoid bone from a CT scan of a human hand which was modeled virtually and fabricated subsequently with high shape fidelity. Later it was demonstrated that this procedure can be adapted to biphasic constructs consisting of CPC and cell-laden hydrogels. This was achieved by developing and processing bioinks. Bioprinted cells can evoke biological effects in vitro and in vivo. For this purpose two bioinks were developed within this work acting as cell carrier materials. The first bioink contained the nano material Laponite (approach II) which has demonstrated positive effects for bone tissue engineering before. The novel Laponite-based bioink enabled the fabrication of constructs with high shape fidelity. Furthermore, cell viability and cell density were increased compared to a Laponite-free control. Since Laponite offers a heterogeneous charge distribution, it was investigated whether it is a suitable delivery system for VEGF. Scaffolds with Laponite demonstrated a distinct different release profile compared to Laponite-free scaffolds. Thus an initial burst-like release could be avoided and at the same time a uniform release could be observed. The released VEGF was biologically active also after longer time in the scaffold. The second bioink was developed using fresh frozen human blood plasma. Plasma contains fibrinogen which holds a RGD motif for the attachment of MSC. Bioprinted MSC and preosteoblastic cells showed a high affinity to spread within the bioink, which is difficult to achieve for encapsulated cells. The plasma-based bioink was suitable for the combined fabrication of biphasic constructs with CPC (approach I). To achieve this, firstly a suitable post-processing for biphasic constructs consisting of CPC and cell-laden bioinks had to be developed. From previous studies it is known that plotted CPC constructs form microcracks in aqueous media during setting, which impair mechanical properties. The formation of the microcracks can be avoided by setting in water-saturated atmosphere. In biphasic constructs with bioinks this phase should only be short since a long incubation in absence of aqueous cell culture media would lead to cell death within the bioink. It could be shown that incubation for 20 min in water-saturated atmosphere is convenient to avoid the formation of microcracks in CPC strands. This time could be tolerated by the cells. In combination with the plasma-based bioink, a strong proliferation and osteogenic maturation of bioprinted preosteoblastic cells could be observed. Conclusion: In this thesis, the principle of extrusion-based bioprinting (3D plotting) was used to fabricate biofunctionalized constructs. This was achieved by loading cells or growth factors before manufacturing of the constructs. Bioactive materials could be embedded into the constructs by either multichannel plotting or by supplementation of a bioink with a bioactive filler material. In principle both approaches even could be combined with each other. The results obtained prove that bioprinting is a suitable method for bone tissue engineering. Patient-specific constructs can be fabricated by this technology. Based on these results, further studies should be performed in vivo to investigate the potency of the approaches for the development of new regenerative therapies to treat bone defects.:Abstract 9 Zusammenfassung 13 Index of Abbreviations 19 List of Figures 20 Preface 23 i generalis 1 introduction to the topic 29 1.1 Background 29 1.2 Terminology 29 1.3 Physiological Properties of Bone Tissue 31 1.3.1 Composition of Bone 31 1.3.2 Bone Cytology 33 1.3.3 Crosstalk 34 1.4 Bone Grafting 34 1.4.1 Biopolymers 35 1.4.2 Calcium Phosphates 38 1.4.3 Nanoclays 41 1.5 Additive Manufacturing in Medicine & Bioprinting 43 1.5.1 Additive Manufacturing in Tissue Engineering 43 1.5.2 Bioprinting Techniques 44 1.6 Bioinks & Biomaterial Inks 48 1.6.1 Rheology 48 1.6.2 Plottability & Shape Fidelity 49 1.6.3 Post-Processing 52 1.6.4 Biocompatiblity & Biodegradation 53 1.6.5 The Biofabrication Window 53 2 aim of the thesis 55 2.1 Preliminary Studies 55 2.2 Research Questions 57 ii specialis 3 A methylcellulose hydrogel as support for 3D plotting of complex shaped calcium phosphate scaffolds 61 4 Development of a clay based bioink for 3D cell printing for skeletal application 77 5 Bioprinting of mineralized constructs utilizing multichannel plotting of a self-setting calcium phosphate cement and a cell-laden bioink 97 6 A novel plasma-based bioink stimulates cell proliferation and differentiation in bioprinted, mineralized constructs 113 iii conclusio 7 Summary & Conclusion 133 7.1 Bioprinting of bone tissue constructs 133 7.2 Technological Improvements 134 7.3 Bioink Development 136 7.4 Limitations & Future Research Directions 138 Bibliography 140 Danke 155 Appendix Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 165 Erklärung über die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen 166 Auszug aus dem Journal Citation Report 166 Conferences 167

Das multiple Myelom ist eine seltene maligne Knochenerkrankung bei insbesondere älteren Menschen. Dabei vermehren sich im Knochenmark in hohem Maße unkontrolliert entartete Plasmazellen. Diese Myelomzellen unterdrücken einerseits die Bildung von normalen Plasmazellen, andererseits wird das Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau und –abbau empfindlich gestört, woraus eine erhöhte Knochenresorption resultiert. Neben den bisher angewandten Chemo- und Strahlentherapien gewinnen innovative Medikamente, wie Proteasominhibitoren und Bisphosphonate, in der Therapie an Bedeutung. Diese Medikamente reduzieren das Myelomzellwachstum und wirken hemmend auf den Knochenabbau. Durch das Auffüllen von durch Resorptionsprozesse geschädigten Knochendefekten mit wirkstoffbeladenen Calciumphosphatzementen (CPC) wird nicht nur der Knochen stabilisiert, sondern im Vergleich zur herkömmlichen oralen oder intravenösen Medikamentenverabreichung eine gezielte Freisetzung des Wirkstoffes direkt am Wirkort in wesentlich reduzierten Dosen ermöglicht. Durch die Kombination des Knochenzementes mit anderen effizienten Drug-Delivery-Systemen (DDS), wie z. B. Polymeren, kann eine optimale Anpassung der Wirkstofffreisetzung ermöglicht werden. Insbesondere haben sich bereits dendritische Polymere aufgrund ihrer globularen Struktur und Vielzahl an peripheren Funktionalitäten als besonders geeignete Wirkstoffträgersysteme herausgestellt. Bei der Anwendung im physiologischen System spielt insbesondere die Biokompatibilität dieser polymeren DDS eine entscheidende Rolle. Durch Modifizierung der peripheren Gruppen mit biokompatiblen Einheiten, wie Oligosacchariden oder Aminosäuren, kann die physiologische Verträglichkeit signifikant erhöht werden. Für die Behandlung des multiplen Myeloms am Knochen sollte in dieser Arbeit ein geeignetes dendritisches DDS auf Basis von hochverzweigtem Polyethylenimin (PEI) synthetisiert und charakterisiert werden. Das DDS sollte dabei verschiedene Anforderungen, wie eine hohe Wasserlöslichkeit und Biokompatibilität, erfüllen. Weiterhin sollten die mechanischen Eigenschaften des CPC nicht negativ beeinflusst werden und der Wirkstoff sollte effektiv vom DDS aufgenommen und kontrolliert aus dem generierten Komposit (Wirkstoff/DDS/CPC) freigesetzt werden. In der sogenannten N-Carboxyanhydrid (NCA)-Polymerisation wurden am PEI(5) (5 ≙ Mw 5 kDa) benzylgeschützte Polyglutaminsäure bzw. Polyasparaginsäureketten aufgepfropft. Durch hydrolytische Abspaltung der Schutzgruppen an den PBLG-Ketten von PEI(5)-PBLG-346 und PEI(5)-PBLA-346 erfolgte die Generierung der wasserlöslichen DDS PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PAsp-346. Die Charakterisierung der synthetisierten Kern-Schale-Architekturen PEI(5)-PBLG-346, PEI(5)-PBLA-346, PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PAsp-346 zeigte, dass nur wenige lange Polyaminosäureketten an wenigen primären und sekundären Aminogruppen des PEI(5) aufgebaut wurden. Aufgrund der noch freien primären und sekundären Aminogruppen am PEI(5) und den peripheren Aminogruppen an den Polyaminosäureketten wurden durch die Anbindung von Maltose- bzw. Laktoseeinheiten Kern-Schale-Architekturen mit einer binären Doppelschalenstrukturen erzeugt. Im Gegensatz zu reiner Polyglutaminsäure zeigten die mit Glutaminsäure modifizierten Polymerstrukturen PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PGlu-346-Mal interessante strukturelle Eigenschaften in wässriger Umgebung. Aufgrund des pH-abhängigen Ladungszustandes resultiert bei reinen Polyglutaminsäureketten normalerweise der typische Helix-Coil-Übergang. Dabei findet eine Konformationsumwandlung der α-helikalen Struktur zur ungeordneten Sekundärstruktur statt. Im Falle der PEI(5)-PGlu-346- und PEI(5) PGlu-346-Mal-Copolymere wurde jedoch keine α-helikale Konformation bei niedrigem pH-Wert nachgewiesen. Die PGlu-Ketten der wasserlöslichen Kern-Schale-Architekturen bildeten sowohl im sauren, als auch im basischen pH-Wertbereich eine ungeordnete Sekundärstruktur aus. Zusätzlich konnte nachgewiesen werden, dass die Kern-Schale-Architekturen in Abhängigkeit vom pH-Wert als isolierte Makromoleküle bzw. Aggregate mit unterschiedlich lang gestreckten Peptidketten vorliegen. Die Ursache dafür sind nicht-kovalente, intra- und intermolekular wirkende Kräfte. Zur Beurteilung der Kern-Schale-Architekturen als geeignete DDS wurde die Komplexierung des Proteasominhibitors Bortezomib (BZM) in die reinen Copolymere PEI(5)-PGlu-346, PEI(5)-PGlu-346-Mal und PEI(25)-Mal B (25 ≙ Mw 25 kDa, ohne Polyglutaminsäureketten) sowie deren Polyelektrolytkomplexe untersucht. Dabei wurden Copolymer/BZM- bzw. PEK/BZM-Komplexe in verschiedenen Verhältnissen hergestellt und die Komplexierungskapazität durch zeitabhängige Ultrafiltration UV/Vis-spektroskopisch ermittelt. Im Vergleich zu den glutaminsäuremodifizierten Copolymeren wurde durch PEI(25)-Mal B etwa doppelt so viel Wirkstoff in verschiedenen wässrigen Systemen aufgenommen. Der Grund dafür ist der größere PEI-Kern und die dementsprechend höhere Anzahl an peripheren Aminogruppen mit gebundenen Maltoseeinheiten. Die PEK zeigten im Vergleich zu den Copolymeren keine Verbesserung der Komplexierungskapazität. Um eine effektive Wirkstofffreisetzung für eine dosierte Langzeittherapie aus dem Kompositmaterial zu erhalten, ist eine stark verzögerte Freisetzung des Copolymers bzw. PEK selbst aus dem CPC notwendig. In Abhängigkeit von der Konzentration wurde für PEI(25)-Mal B eine geringere Freisetzung aus dem Copolymer/CPC- und PEK/CPC ermittelt. Aufgrund der nanoskaligen Dimension der polymeren Strukturen wird die Diffusion durch das offene CPC-Porensystem erschwert. Für die PEI(5)-PGlu-346, PEI(5)-PGlu-346-Mal und die zugehörigen PEK wurde hingegen keine messbare Freisetzung aus dem CPC nachgewiesen. Die Glutaminsäureeinheiten können Calciumionen komplexieren und beeinflussen dadurch die Keimbildung und das Wachstum der CaP-Phase. Die Copolymerstrukturen werden somit in den CPC integriert und können nur durch Abbau des schwerlöslichen Zementes freigesetzt werden. Bei den Untersuchungen der BZM-Freisetzung aus den BZM/Copolymer/CPC- und BZM/PEK/CPC-Kompositen kristallisierte sich BZM/PEI(5)-PGlu-346-Mal/CPC als effektivstes DDS heraus. Im Vergleich zum reinen BZM in CPC wurde nach 24 h nur etwa die Hälfte des Wirkstoffes aus dem Komposit freigesetzt. Weiterhin steigerte sich die Freisetzungsrate über den gesamten Zeitraum von 14 Tagen auf nur etwa 60 %. Aus dem BZM/CPC-Komposit wurden nach 14 Tagen mehr als 75 % BZM freigesetzt. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Michael Gelinsky vom Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung (TU Dresden) wurde keine signifikante Änderung der Druckfestigkeit des CPC durch die Integration der glutaminsäuremodifizierten Copolymere festgestellt. Weiterhin wurde in in vitro-Untersuchungen mit osteogen stimulierten humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) kein entscheidender Einfluss der in dieser Arbeit hergestellten PEI(5)-PGlu-346- und PEI(5)-PGlu-346-Mal-Copolymere auf die Proliferation der Zellen beobachtet. Zudem war bei beiden Copolymeren eine osteogene Differenzierung der hMSC zu knochenbildenden Osteoblasten nachweisbar, wobei PEI(5)-PGlu-346-Mal die Entwicklung der Stammzellen zu knochenbildenden Zellen sogar zu fördern scheint. Durch die Kombination von hochverzweigtem PEI mit Polyglutaminsäure und Maltose wurde in dieser Arbeit ein innovatives DDS für die kontrollierte und effektiv verzögerte Freisetzung von BZM aus CPC erzeugt, welches die einleitend erwähnten Anforderungen erfüllt. Das Copolymersystem weist eine hohe Biokompatibilität auf, ohne die mechanischen Eigenschaften des CPC zu verändern. Diese Arbeit hat daher einen entscheidenden Beitrag im Bereich der Wirkstofffreisetzung aus festen Materialien geliefert und bildet die Grundlage für zukünftige polymere DDS in CPC.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die biologische Charakterisierung neuartiger nanostrukturierter und für die Knochenregeneration geeigneter Calciumphosphatzemente (CPC). Hierzu wurde ein aus α-Tricalciumphosphat, Calciumhydrogenphosphat, gefälltem Hydroxylapatit und Calciumcarbonat bestehender CPC verwendet, der mit den Biomolekülen Cocarboxylase, Glucuronsäure, Weinsäure, Glucose-1-phosphat, Arginin, Lysin und Asparaginsäure-Natriumsalz modifiziert wurde. Ermittelt wurde dabei der Einfluss der Modifikationen auf die Proteinadsorption und die Biokompatibilität. In Vorversuchen wurden die Zementmodifikationen hinsichtlich ihrer Bindungskapazität für humane Serumproteine und für das knochenspezifische Protein Osteocalcin (OC) sowie hinsichtlich ihrer Eignung für die Adhäsion, Proliferation und osteogene Differenzierung von humanen fötalen Osteoblasten (hFOB 1.19) und humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) untersucht. Dabei erwiesen sich die Modifikationen mit Cocarboxylase, Arginin und Asparaginsäure-Natriumsalz als besonders günstig. Mit diesen „Favoriten“ erfolgte eine detailliertere Analyse der Adsorption humaner und boviner Serumproteine sowie der knochen-spezifischen Proteine Osteocalcin, BMP-2 und VEGF. Dabei führte sowohl der Zusatz von Cocarboxylase, als auch der von Arginin und Asparaginsäure-Natriumsalz zu einer erhöhten Adsorption von Serumproteinen. Die Bindungsaffinität des Basiszements gegenüber Osteocalcin, BMP-2 und VEGF konnte durch Funktionalisierung mit Arginin gesteigert werden. Während die Modifizierung mit Cocarboxylase nur die VEGF-Adsorption förderte, bewirkte der Zusatz von Asparaginsäure-Natriumsalz eine Erhöhung der Osteocalcin- und BMP-2-Adsorption. Bedingt durch die größere spezifische Oberfläche der noch nicht abgebundenen Zemente, war die Menge adsorbierter Proteine auf frisch hergestellten Zementproben im Vergleich zu abgebundenen und ausgehärteten Zementen signifikant höher. Die Eignung der ausgewählten Zementvarianten als Knochenersatzmaterialien wurde mithilfe humaner mesenchymaler Stammzellen zweier verschiedener Spender getestet. Bei Verwendung abgebundener und ausgehärteter Zemente waren die hMSC in der Lage, auf allen Modifikationen zu adhärieren, zu proliferieren und in die osteogene Richtung zu differenzieren. Eine vorherige Inkubation der Zementproben mit humanem Serum förderte dabei vor allem die Zelladhäsion. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass hMSC im Gegensatz zu anderen Studien auch auf frisch hergestellten Zementproben adhärieren, proliferieren und differenzieren können. Die Modifizierung des Basiszements mit Cocarboxylase führte hierbei zu einer gegenüber den anderen Modifikationen signifikant erhöhten Zelladhäsion und -vitalität. Neben den verschieden modifizierten Pulver/Flüssigkeitszementen wurden im Rahmen dieser Arbeit neuartige ready-to-use Zementpasten untersucht. Diese zeigten allerdings im Vergleich zu den herkömmlichen Zementen eine geringere Proteinbindungsaffinität. HMSC, die auf den Pastenzementen kultiviert wurden, war es wiederum möglich zu adhärieren, zu proliferieren und den osteoblastenspezifischen Marker Alkalische Phosphatase zu exprimieren. Hinsichtlich ihrer Biokompatibilität sind sie damit vergleichbar zu den herkömmlichen Pulver/Flüssigkeitszementen.

In this thesis, several types of scaffolds composed of different materials and designed structures and functions were fabricated by 3D plotting under mild conditions (room temperature and without using any organic solvent). Broad biomaterials including inorganic (such as calcium phosphate cement and mesoporous bioglass), organic (such as alginate and gelatin) and composite materials were prepared into printable pastes to plot as 3D scaffolds for bone tissue engineering. Organic/inorganic biphasic and bipartite structure, core/shell alginate/nano-hydroxyapatite and hollow fiber structure were designed and realized. Scaffolds with multi functions including suitable mechanical properties, sustained drug/protein delivery and in vitro vascularization were achievable. 3D plotting provided great achievements in the field of tissue engineering by preparing advanced scaffolds, as well as by plotting cell/matrix constructs, and even complex tissues and organs.

In this thesis, several types of scaffolds composed of different materials and designed structures and functions were fabricated by 3D plotting under mild conditions (room temperature and without using any organic solvent). Broad biomaterials including inorganic (such as calcium phosphate cement and mesoporous bioglass), organic (such as alginate and gelatin) and composite materials were prepared into printable pastes to plot as 3D scaffolds for bone tissue engineering. Organic/inorganic biphasic and bipartite structure, core/shell alginate/nano-hydroxyapatite and hollow fiber structure were designed and realized. Scaffolds with multi functions including suitable mechanical properties, sustained drug/protein delivery and in vitro vascularization were achievable. 3D plotting provided great achievements in the field of tissue engineering by preparing advanced scaffolds, as well as by plotting cell/matrix constructs, and even complex tissues and organs.