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.

Die Additive Fertigung spielt heutzutage auch in der Automobilindustrie eine bedeutende Rolle. Eine Ausprägungsform, das pulverbett-basierte LaserCUSING®-Verfahren, bietet viele neue Möglichkeiten. Im Folgenden wird zunächst ein kurzer Überblick über das Verfahren gegeben und anschließend der Einsatz des LaserCUSING®s im Bereich Automotive anhand eines gemeinsamen Projekts der EDAG Engineering GmbH, des Laser Zentrums Nord, der BLM Group und der Concept Laser GmbH verdeutlicht. Hier wurde auf Basis des EDAG Light Cocoon ein topologisch optimierter und hybrid gefertigter Spaceframe entwickelt. Die Karosserieknoten wurden mittels LaserCUSING® additiv hergestellt.

Die Additive Fertigung spielt heutzutage auch in der Automobilindustrie eine bedeutende Rolle. Eine Ausprägungsform, das pulverbett-basierte LaserCUSING®-Verfahren, bietet viele neue Möglichkeiten. Im Folgenden wird zunächst ein kurzer Überblick über das Verfahren gegeben und anschließend der Einsatz des LaserCUSING®s im Bereich Automotive anhand eines gemeinsamen Projekts der EDAG Engineering GmbH, des Laser Zentrums Nord, der BLM Group und der Concept Laser GmbH verdeutlicht. Hier wurde auf Basis des EDAG Light Cocoon ein topologisch optimierter und hybrid gefertigter Spaceframe entwickelt. Die Karosserieknoten wurden mittels LaserCUSING® additiv hergestellt.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden ORMOCER®-basierte Materialsysteme für dentale Versorgungen entwickelt, die additiv mittels Digital Light Processing (DLP) verarbeitbar sind und ein hochwertiges, auf die vorgesehene Zielanwendung abgestimmtes Eigenschaftsprofil besitzen. Zunächst wurden grundlegende Untersuchungen zum DLP-Druck des Harzsystems und einfachen Kompositen durchgeführt, um auftretende Herausforderungen zu identifizieren und die weitere Vorgehensweise festzulegen. Ausgehend davon konzentrierte sich die Arbeit neben der Vermeidung der klebrigen Sauerstoffinhibierungsschicht auf der Bauteiloberfläche einerseits darauf, die Maßhaltigkeit bei DLP-gedruckten Bauteilen mit überhängenden Strukturen zu steigern. Insbesondere wurde das Augenmerk hier auf die Verwendung von organischen Lichtabsorbern zur Realisierung von hochtransluzenten Harz-basierten Bauteilen gelegt. Andererseits lag ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit auf der Entwicklung von DLP-druckbaren Kompositen mit hoher Transluzenz. Die dafür nötige Brechzahlanpassung von Harzsystem und Füllstoff wurde zum einen durch die Synthese neuer, höherbrechender Harzsysteme und zum anderen durch die Verwendung hochbrechender ZrO2-Nanopartikel realisiert. Die resultierenden hochtransluzenten Komposite wurden umfassend mechanisch charakterisiert sowie erfolgreich DLP-gedruckt. / In this work, ORMOCER®-based material systems for dental restorations were developed which can be additively processed by digital light processing (DLP) and have a high-quality property profile tailored to the intended target application. Initially, basic investigations were carried out on the DLP printing of the resin system and simple composites in order to identify any challenges that arose and to determine the further course of action. Based on this, in addition to avoiding the sticky oxygen inhibition layer on the part surface, the work focused on the one hand on increasing the dimensional accuracy of DLP-printed parts with overhanging structures. In particular, attention was paid here to the use of organic light absorbers to realize highly translucent resin-based parts. On the other hand, another focus of the work was on the development of DLP printable composites with high translucency. The necessary refractive index adaption of resin system and filler was realized on the one hand by synthesizing new, higher refractive index resin systems and on the other hand by using highly refractive ZrO2 nanoparticles. The resulting highly translucent composites were extensively characterized mechanically and successfully DLP-printed.

BACKGROUND Cell-sized structures such as electrospun mats have been shown to tailor cell growth in a variety of ways and thus have great potential in the development of regenerative implants. Due to their thinness of several hundreds of micrometers, these mats mostly act as coatings on larger matrices, but the use of cytotoxic solvents complicates the translational process. A relatively new technique, melt electrowriting (MEW), offers similar properties but relinquishes cytotoxic solvents. Instead, thermoplastics such as polycaprolactone (PCL) are melted and processed under high voltage to form fibers with a precise fiber diameter that can be deposited in highly ordered meshes using a three-axis system. Outcome of the MEW processes are fiber architectures with defined fiber diameter, fiber spacing and tailored porosity within the cellular dimensions. This contrasts with previous electrospun mats, which mostly exhibit chaotic fiber architectures. RESEARCH QUESTIONS Due to the novelty of MEW, all studies so far used highly customized laboratory printers to produce MEW membranes, complicating translation to the clinic. Therefore, one of the first commercial MEW printer had to be established and the printing characteristics needed to be found to maintain homogeneous fiber diameters throughout the printing process and to investigate the compatibility with other printing techniques. Large tympanic membrane defects, such as those caused by chronic otitis media and other conditions, are currently closed with autologous materials in an elaborate procedure that may result in side effects such as hearing loss. Customized MEW meshes could improve this situation if they demonstrate similar mechanical and vibrational properties as the TM or the respective autologous materials. To this end, the variety of different design parameters such as fiber diameter, fiber spacing, layer-to-layer orientation, and number of layers should be investigated. Ideally, the collagen fiber structure and the curvature of the TM could be mimicked, too. Furthermore, the behavior of TM-typical cells such as keratinocytes and fibroblasts on the artificial scaffolds should be analyzed. This should simulate a potential regrowth of the TM collagen structure in vivo by migrating cells from the surrounding tissue onto the artificial membranes. Larger regenerative implant materials produced by other (additive) manufacturing processes do not offer geometries within cell dimension, therefore a combination with MEW could facilitate the scaffold-cell interaction. Hence, the objective of the present work was to investigate to what extent MEW can be combined with other additive manufacturing processes and what effects combined implant materials have on cell adhesion, alignment, and migration. MATERIALS & METHODS A GeSiM Printer 3.1. equipped with a MEW module was used for printing. Medical grade PCL was utilized to produce artificial membranes. Medical grade collagen type I was applied to create airtight membranes and improve cell compatibility. All scaffolds were mechanically tested using a uniaxial testing machine to characterize either the bending stiffness of the artificial TM grafts or the Young's modulus of the bone and tendon grafts. Compression tests were performed on the bone grafts, whereas tensile tests were used to evaluate the tendon grafts. Vibration analysis of the TM grafts was performed in collaboration at the Ear Clinic of Dresden University Hospital. For in vitro analyses of the TM grafts, immortalized and primary keratinocytes (HaCaT, HEKn) and primary fibroblasts (NHDF) were seeded on the grafts and analyzed. Murine calvarial osteoblast progenitor cells (MC3T3-E1) and immortalized human mesenchymal stem cells (hTERT-MSC) were seeded on the calcium phosphate cement and PCL composites. Adipose-derived mesenchymal stem cells (AT-MSC) were seeded onto the PLA-PCL tendon grafts. Standardized biochemical assays and fluorescence microscopy were used to analyze cell behavior. RESULTS Specific scaffold designs were developed to create a TM graft with comparable mechanical and similar vibrational properties to the native TM. In addition, the constructs showed high cell compatibility. Circular and radial fibers were integrated to mimic the native collagen structure closer. The combination of MEW with extrusion printing of sacrificial pyramids allowed for resembling the curvature of the TM. Overall, these adjustments minimized the gap between implant and native TM. By increasing the number of layers, the yield strength of the TM could be increased, but with a (small) decrease in vibration properties. A co-culture of primary fibroblasts and keratinocytes mimicked the in vivo migration of these cell types on the scaffolds so that the native collagen architecture could be restored after implantation in vivo (Publication I + II). For the first time, the bone graft material calcium phosphate cement (CPC) has been combined with PCL microfibers in a single fabrication process by combining MEW and extrusion printing (Publication III). Geometries in clinically relevant defect sizes of up to 3 cm with a variety of different pore structures were realized. The microporosity thus created within the macroporosity of the CPC structures had no significant effect on the cell growth closing these pores compared to CPC scaffolds without microfibers. From a mechanical point of view, the microfibers did not affect the adhesion between the CPC layers but fixed the CPC fragments during and after mechanical loading, so that the PCL-reinforced CPC scaffolds did not splinter in contrast to the pure CPC structures. When the PCL mats were printed wider than the CPC scaffolds, the protruding mesh provided an additional fixation option for the composite scaffolds in a potential defect area during surgery.

In recent years, additive manufacturing (AM) has become one of the most revolutionary and promising technologies in manufacturing. The process of making a product layer by layer is also often referred to as 3D printing. Once employed purely for prototyping, AM is now increasingly used for small series production, for example in aerospace applications. The paper starts with a motivation for AM in hydraulic applications and the development of an AM internal gear pump. For a better understanding of the manufacturing process, a brief introduction to AM highlighting the advantages and challenges is given. The AM internal gear pump is part of an electrohydraulic power pack, which is used to power an electrohydraulic actuator (EHA). The power pack contains all necessary peripherals to realise the hydraulic system of the EHA. The AM process allows for new design possibilities, but the process differs strongly compared to subtractive manufacturing processes and therefore is outlined here. The paper concludes by presenting measurement results of the AM internal gear pump.

Die Photobiotechnologie nutzt photosynthesegetriebene Bioprozesse zur nachhaltigen Synthese von Wertstoffen und Energieträgern. Diese Bioprozesse rücken vor allem durch die stoffliche Nutzung von CO2 als Kohlenstoff- und Licht als regenerative Energiequelle in den Fokus von Forschung und Entwicklung. Trotz der enormen Vielfalt von geschätzten 500.000 Algenspezies werden zurzeit nur ca. 15 Mikro- und 220 Makroalgen technisch genutzt. Dieser Umstand ist u.a. dem geringen Prozessverständnis und den spezifischen Anforderungen der photobiotechnologische Prozesse an die technischen Systeme geschuldet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Kultivierungssysteme für die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen Rhodobacter sphaeroides DSM158, Chlamydomonas reinhardtii 11.32b und Chlorella sorokiniana UTEX1230 entwickelt und evaluiert. Die photofermentative Wasserstoffproduktion mittels R. sphaeroides DSM158 erfolgte in einem eigens dafür konzipierten gerührten Halogen-Photobioreaktor durchgeführt. Im Satzbetrieb wurde der Einfluss des volumetrischen Leistungseintrages (P0/VL) und der mittlere Bestrahlungsstärke (I0) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass R. sphaeroides DSM158 bei einer durchschnittlichen I0 von 2250 W m-2 und einem P0/VL von 0,55 kW m-3 im Satzbetrieb eine maximale Wasserstoffproduktionsrate (rH2) von 195 mL L-1 h-1 erzielt. Das Reaktorsystem wurde mittels optischer Ray Tracing Simulation, einer empirischer Simulation der Strahlungsverteilung und Computational Fluid Dynamics (CFD) charakterisiert, um die Prozessbedingungen für R. sphaeroides DSM158 zu analysieren. Der photofermentative Prozess wurde in ein kontinuierliches Verfahren überführt, welches unter optimalen Bedingungen von I0 = 2250 W m-1, einer Durchflussrate von 0,096 h-1 und einem C:N-Verhältnis von ca. 22,5 eine rH2 von 170,5 mL L-1 h-1 lieferte. Für Mikroalgen wurden Kultivierungssysteme für Suspensions- und immobilisierte Kulturen entwickelt und charakterisiert. Zur Kultivierung immobilisierter Mikroalgen wurde die Methode des Green Bioprinting etabliert, die auf der 3D-Bioprinting Technologie des Tissue Engineerings beruht. Bei diesem Verfahren werden Algenzellen über einen Extrusionsprozess in ein strukturiertes Hydrogel eingebettet. In vergleichenden Studien zum Wachstum in Suspensionskulturen konnte gezeigt werden, dass die Hydrogelumgebung ideale Bedingungen für das photoautotrophe Wachstum und die Zellviabilität von C. reinhardtii 11.32b und C. sorokiniana UTEX1230 liefert. Der MicrOLED-Bioreaktor bezeichnet ein miniaturisiertes Flat-Panel-Airlift (FPA)-Bioreaktor-system mit 15 mL Arbeitsvolumen und nichtinvasiver optischer Prozessüberwachung in Bezug auf zellspezifische Parameter (Zelldichte und Fluoreszenz) und Suspensionsparameter (pH, dO2 und dCO2). Hydrodynamische Untersuchungen der miniaturisierten FPA-Kultivierungskammer zeigten vergleichbare und damit skalierbare Eigenschaften zu Labor- und Produktions-FPA-Bioreaktoren. Im Zuge des MicrOLED-Bioreaktors wurden erstmals organische Leuchtdioden für den Einsatz in Photobioreaktoren verwendet und charakterisiert. Die geometrisch komplexen Bioreaktorkomponenten wurden mittels additiver Fertigungstechnologien aus Polyamid hergestellt und erlauben die Integration der optischen Elemente zur Überwachung des Bioprozesses in Echtzeit.

Ziel dieser Masterarbeit ist die Untersuchung neuartiger Prägeformkonzepte hinsichtlich ihres Prägeverhaltens. Die Konzepte weisen lokal unterschiedliche Materialeigenschaften auf, die zu einer verbesserten Ausprägung von Karton führen sollen. Die Konzepte sollen anhand der Prägeergebnisse und der Abformgenauigkeit evaluiert werden. Dabei ist ein weiteres Ziel der Arbeit, Methoden zur Quantifizierung der Abformgenauigkeit zu finden. Die Herstellung der Konzepte erfolgt mithilfe eines additiven Fertigungssystems, welches mehrere Materialien in einem Bauvorgang verarbeiten kann. Zur Datengewinnung werden Oberflächenscans der geprägten Kartonproben und Werkzeuge durchgeführt. Auf Grundlage dieser Scans werden drei Methoden zur Ermittlung der Abformgenauigkeit vorgeschlagen. Abschließend werden die Werkzeuge anhand der Prägeergebnisse und der ermittelten Abformgenauigkeit bewertet. Weiterhin werden die vorgeschlagenen Methoden miteinander verglichen und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Dies gibt Auskunft darüber, unter welchen Bedingungen der Einsatz welcher Methode sinnvoll erscheint.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Umformprozesse 2.1.1 Prägen von Faserwerkstoffen 2.1.2 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Blechen 2.1.2.1 Tiefenziehen 2.1.2.2 Tiefen 2.1.3 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Karton 2.1.3.1 Ziehen und Pressformen 2.1.3.2 Hydroformen 2.2 Multi-Material-Verarbeitung in der additiven Fertigung 2.2.1 Materialextrusion 2.2.2 Badbasierte Photopolymerisation 2.2.3 Material Jetting 2.2.4 Pulverbettbasiertes Schmelzen 2.2.5 Workflow und Datenvorbereitung 2.3.6 Geeignete Dateiformate 2.3 Soll-Ist-Vergleich von 2.5D-Oberflächendaten 2.3.1 Berechnung von Flächeninhalten und Volumen 2.3.2 Registrierung und Abstandsberechnung von Punktwolken 3. Versuche und Messungen 3.1 Herstellung der Prägeformkonzepte 3.1.1 Beschreibung der Konzepte 3.1.2 Fertigungstechnologie und Materialwahl 3.1.3 Datenvorbereitung für die Polyjet-Fertigung 3.2 Prägeversuche und Datenverarbeitung 3.2.1 Prägeversuche 3.2.2 Oberflächenscan am Keyence 3D-Makroskop 3.3 Ermittlung der Abformgenauigkeit 3.3.1 Flächen- und Volumenberechnung in MatLab & CloudCompare 3.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1 Betrachtung der Prägewerkzeuge 4.2 Betrachtung der Kartonprägungen 4.2.1 Prägeergebnisse nach Flächeninhalt der Profilschnitte 4.2.2 Einfluss der Faserlaufrichtung auf Kartonprägungen 4.2.3 Prägeergebnisse nach Volumen der Punktwolken 4.3 Betrachtung der Abformgenauigkeit 4.3.1 Abformgenauigkeit nach Flächeninhalt & Volumen 4.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4.4 Bewertung der Methoden zur Ermittlung der Abformgenauigkeit 4.5 Beurteilung des Bedienereinflusses bei der Datenverarbeitung am Keyence 5. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Eidesstattliche Erklärung / The aim of this master thesis is to investigate novel embossing die concepts with regard to their embossing behavior. The concepts have locally different material properties, which should lead to an improved embossing of cardboard. The concepts are to be evaluated on the basis of the embossing results and the impression accuracy. A further aim of the work is to find methods for quantifying the impression accuracy. The concepts will be manufactured using an additive manufacturing system that can process multiple materials in a single build process. Surface scans of the embossed cardboard samples and tools are performed to obtain data. Based on these scans, three methods are proposed to determine the impression accuracy. Finally, the tools are evaluated based on the embossing results and the determined impression accuracy. Furthermore, the proposed methods are compared with each other and their advantages and disadvantages are discussed. This provides information on the conditions under which the use of which method appears to be sensible.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Umformprozesse 2.1.1 Prägen von Faserwerkstoffen 2.1.2 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Blechen 2.1.2.1 Tiefenziehen 2.1.2.2 Tiefen 2.1.3 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Karton 2.1.3.1 Ziehen und Pressformen 2.1.3.2 Hydroformen 2.2 Multi-Material-Verarbeitung in der additiven Fertigung 2.2.1 Materialextrusion 2.2.2 Badbasierte Photopolymerisation 2.2.3 Material Jetting 2.2.4 Pulverbettbasiertes Schmelzen 2.2.5 Workflow und Datenvorbereitung 2.3.6 Geeignete Dateiformate 2.3 Soll-Ist-Vergleich von 2.5D-Oberflächendaten 2.3.1 Berechnung von Flächeninhalten und Volumen 2.3.2 Registrierung und Abstandsberechnung von Punktwolken 3. Versuche und Messungen 3.1 Herstellung der Prägeformkonzepte 3.1.1 Beschreibung der Konzepte 3.1.2 Fertigungstechnologie und Materialwahl 3.1.3 Datenvorbereitung für die Polyjet-Fertigung 3.2 Prägeversuche und Datenverarbeitung 3.2.1 Prägeversuche 3.2.2 Oberflächenscan am Keyence 3D-Makroskop 3.3 Ermittlung der Abformgenauigkeit 3.3.1 Flächen- und Volumenberechnung in MatLab & CloudCompare 3.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1 Betrachtung der Prägewerkzeuge 4.2 Betrachtung der Kartonprägungen 4.2.1 Prägeergebnisse nach Flächeninhalt der Profilschnitte 4.2.2 Einfluss der Faserlaufrichtung auf Kartonprägungen 4.2.3 Prägeergebnisse nach Volumen der Punktwolken 4.3 Betrachtung der Abformgenauigkeit 4.3.1 Abformgenauigkeit nach Flächeninhalt & Volumen 4.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4.4 Bewertung der Methoden zur Ermittlung der Abformgenauigkeit 4.5 Beurteilung des Bedienereinflusses bei der Datenverarbeitung am Keyence 5. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Eidesstattliche Erklärung

Die additiven Fertigungsverfahren eröffnen durch ihre größere Designfreiheit viele Möglichkeiten um neues Leichtbaupotential in der Bauteilauslegung zu erschließen. Dabei wächst das Bewusstsein der Ingenieure für die Synergien der Physik- getriebenen Topologieoptimierung mit den freien Gestaltungsmöglichkeiten der additiven Fertigung. Diverse Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Industriezweigen zeigen, dass dieses Potential branchenübergreifend einsetzbar ist. Durch Topologieoptimierung alleine wird das Potential der Additiven Fertigung jedoch noch nicht ausgeschöpft. Zusätzliches großes Leichtbaupotential bietet auch die Verwendung von gleichmäßigen oder adaptiven Gitterstrukturen. Durch diese kann eine Gewichtsreduktion am Bauteil realisiert werden ohne das ursprüngliche Design optisch zu verändern. Für die Validierung dieser hochkomplexen Gitterstrukturen kann heute dank der neuen Technologie ANSYS Discovery Live auf ein aufwendiges Vernetzen verzichtet und damit eine Bewertung des Designs ‚on the fly‘ erreicht werden. Des Weiteren ermöglichen neue Werkzeuge in ANSYS eine a priori Bewertung von prozessbedingten Formabweichungen der Geometrie bei additiver Fertigung. Verformungen während des Bauprozesses können zu einem Abbruch desselben führen, während Verformungen und Eigenspannungen im fertigen Bauteil zu Abweichungen von der gewünschten Geometrie und Funktionalität führen können. Hier hilft die AF-Prozesssimulation das Verständnis der Prozesse zu erweitern und entsprechende Gegenmaßnahmen zu treffen. In diesem Vortrag werden die genannten Aspekte an praktischen Beispielen gezeigt und diskutiert.

Osteochondral defects comprise cartilage and bone tissue in the joint region and create challenges for orthopedic surgery, also because intrinsic regeneration capacities of the articular cartilage are limited. Furthermore, tissue layer-specific characteristics regarding cell types, mechanical properties and biochemical composition need to be considered. Research questions: In this work, concepts were developed which allow mimicking of osteochondral interfacial layers in a patient-individual and zonally specified manner by 3D extrusion (bio)printing. This feature of patient specificity was proven on different levels within this project: Besides the option for application of patient-own, expanded stem cells or chondrocytes within a scaffold to support regeneration and neo-tissue formation, a workflow was implemented which enables the consideration of magnetic resonance imaging (MRI) data and zonal geometry of the defect. With the materials suitable to achieve this design and a bioprinting-compatible process, the impact of such a system on embedded cells was investigated. A zonally structured, partly mineralized construct was evaluated regarding its capability to allow or support chondrogenesis of primary human chondrocytes (hChon). Furthermore, a strategy based on core-shell bioprinting technology was developed which allows simultaneous embedding of different cell types in a zonally defined distribution with a targeted effect by incorporated growth factors while reducing the off-target effects that would be expected when applied homogeneously via the surrounding medium. In addition, hybrid multi-material scaffolds were developed to adjust the stiffness of these systems. Materials and methods: To define design and patient-specific requirements for an osteochondral implant, an anonymized MRI dataset of a patient with osteochondritis dissecans (OCD) was used. The main constituent of the developed fabrication system was a bioink based on 3% alginate and 9% methylcellulose (algMC) with hChon. Laponite was added to alg-MC-based inks in order to control the release of differentiation factors for a sustained delivery in multi-zonal osteochondral constructs. A printable calcium phosphate cement (CPC) was used as a mineral phase. For the bioprinting process, multi-channel extrusion was applied for an alternating printing of hChon-laden algMC and CPC in order to mimic a zone of mineralized cartilage. Cell fate was investigated on biochemical and gene expression level. A coaxial extrusion module was applied for the co-extrusion of a bioink (shell) – algMC or plasma-functionalized algMC loaded with hChon or human pre-osteoblasts (hOB), respectively – and a biomaterial ink (core) doped with the corresponding growth factors TGF-β3 or BMP-2 as central target-specific factor depot. By melt electrowriting technology (MEW), additional scaffolds from polycaprolactone (PCL) microfibers with a freely adjustable fiber structure were generated. To trigger the mechanical stiffness of cell-laden hydrogels, these scaffolds were manually added to the bioprinting process as an extra support. Results: Suggested strategies of 3D extrusion (bio)printing for clinically relevant dimensions (Publication I)were successfully applied on algMC-based inks, bioinks and CPC to generate multi-material cell-laden constructs of an individual, patient-specific shape. With the use of flexible and reversible software solutions, MRI data from an OCD patient were utilized for the design and later fabrication of a bi-zonal implant (Publication II). The resulting implant showed a suitable geometry fitting into a model of the lesioned femoral condyles fabricated by stereolithography. For surgical fixation of such a potential implant, an individual implantation adapter was developed. The same materials processable via multi-channel printing were compatible with bioprinting of hChon isolated from the femoral head of human hip arthroplasty patients. The majority of cells survived the printing process and cultivation conditions in monophasic scaffolds consisting of cell-laden algMC, and in biphasic scaffolds with a zonally separated or interwoven mineral zone of calcium phosphate cement. Cells in both setups, representing plain articular cartilage and calcified cartilage, were able to re-differentiate and demonstrated the characteristic ECM marker production and gene expression. The calcium-deficient CPC led to a decrease of calcium ions and an initial increase of phosphate ions in the surrounding medium. In the presence of the CPC phase, chondrogenesis was enhanced (Publication III). The core-shell bioprinting concept allowed the spatially defined differentiation of cells (hChon or hOB), encapsulated in a bioink extruded as shell compartment, adjacent to a respective factor-loaded core depot with specific differentiation factors. The biomaterial inks for the core depot were successfully adjusted regarding viscosity and release kinetics by addition of nanoclay (Laponite) nanoparticles. Optical coherence tomography (OCT) was introduced as a tool to monitor the coaxial strand pattern and the location of embedded cells in a contactless manner. The applied inks allowed adjustment of release properties of components such as growth factors BMP-2 and TGF-β3. In hChon, characteristic genes such as collagen 2 or aggrecan were upregulated, while hOB were able to express the typical genes ALP, BGLAP and IBSP. Although both incorporated differentiation factors also demonstrated enhancing effects on both compartments, respectively, the induced adverse effects of hypertrophy in the cartilage zone and collagen 2 expression in the bone zone were successfully prevented. This was done by applying the factors with a sustained release via a Laponite-supported ink as the core depots, instead of homogeneously supplementing the surrounding cell culture medium (Publication IV). By adding PCL microfiber mesh scaffolds, fabricated by MEW, with a decreasing fiber density from 1000 to 250 µm, the Young’s modulus of the algMC scaffolds increased from 10 kPa to more than 50 kPa. The resulting hybrid scaffolds were proven cytocompatible; bioprinted hChon reacted to this hybrid algMC structure with a PCL density of 750 µm with an improved release of sulphated glycosaminoglycans (Publication V). Conclusions: A fully integrated approach for a multiphasic implant design, embedding of primary cells and simultaneous application of respective growth factors was realized by 3D extrusion (bio)printing. Concepts for bioprinting of mineralized cartilage based on algMC and CPC and for local factor delivery in osteochondral tissue substitutes by core-shell bioprinting were developed. The presented approaches allow an adjustable zonal design and full control over spatial differentiation and fate of bioprinted cells. The versatility of this modular system allows addition of further features as demonstrated for the combination with PCL microfiber scaffolds to adjust mechanical properties of the cartilage zone. Another option can be the mechanical stimulation of magnetically deformable algMC-magnetite scaffolds. These valuable insights for the field will serve as basis for further applications in vitro and in vivo. They might open up new research directions with a potential translation to other material combinations and other tissue defect types.:Table of Contents List of abbreviations List of figures Legal note 1. Introduction 1.1 The osteochondral interface – function, anatomy and histology 1.2 Pathology of cartilage and osteochondral tissue 1.3 State of the art: treatment of cartilage defects and osteochondral defects 1.4 Tissue engineering for osteochondral regeneration 1.5 Biomedical additive manufacturing and bioprinting 1.6 Hydrogels for bioprinting 1.7 Multi-component and multiphasic strategies to add specific cues and features to bioprinted tissue models 1.8 Additive Manufacturing of patient-specific bone and cartilage substitutes 2. Aims of the thesis List of publications included in the thesis 3. Strategies for biofabrication of volumetric constructs with an individual shape (Publication I) Publication I: Review article 4. Workflow for an MRI-guided, bi-zonal implant design (Publication II) 41 Publication II: Article Publication II: Published supporting information 5. Chondrogenesis in 3D bioprinted constructs and its compatibility with a mineral phase (Publication III) Publication III: Article Publication III: Published supporting information 6. Concept for a zonally defined factor delivery (Publication IV) Publication IV: Article Publication IV: Published supporting information 7. Hybrid bioscaffolds for tailoring mechanical properties of cartilage tissue substitutes (Publication V) Publication V: Article 8. Discussion and outlook References SUMMARY ZUSAMMENFASSUNG Acknowledgements List of other publications (co-)authored by the candidate Scientific congress contributions during PhD phase Journal ranking in Journal Citations Report Appendix I – Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens Appendix 2 – Erklärung zur Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen / Osteochondrale Defekte umfassen Knochen- und Knorpelgewebe innerhalb des betroffenen Gelenks und stellen die klinische Orthopädie vor Herausforderungen dar, auch da die intrinsische Regenerationsfähigkeit des Gelenkknorpels stark limitiert ist. Zudem sind in den zu unterscheidenden Gewebeschichten spezifische Charakteristika wie unterschiedliche Zelltypen, mechanische Eigenschaften und die biochemische Zusammensetzung zu berücksichtigen. Fragestellungen: In der vorliegenden Arbeit wurden Konzepte entwickelt, mit dem sich per 3D-Extrusions(bio)druck Gewebeschichten dieser osteochondralen Grenzschicht zonenspezifisch und patientenindividuell nachbilden lassen. Diese patientenindividuellen Merkmale wurden innerhalb des Projektes auf mehreren Ebenen nachgewiesen: Zum einen können patienteneigene Stammzellen oder Chondrozyten nach Vermehrung im Labor innerhalb einer Gerüststruktur (“Scaffold”) zur Unterstützung der Regeneration und Gewebeneubildung angewandt werden. Zum anderen wurde ein Workflow vorgestellt, der die Berücksichtigung einer individuellen, per Magnetresonanztomographie (MRT) detektierten, schichtweisen Geometrie einer Läsion erlaubt. Mit Hilfe von Materialien, die diese Formgebung ermöglichen, wurde in einem Biodruck-kompatiblen Prozess der Einfluss eines solchen Systems auf eingebettete Zellen untersucht: Ein zonal aufgebautes, teilweise mineralisiertes Konstrukt wurde hinsichtlich dessen Eignung, Chondrogenese humaner Knorpelzellen (hChon) zu ermöglichen oder zu unterstützen, evaluiert. Zudem wurde eine auf der Kern-Mantel-Biodrucktechnologie basierende Strategie entwickelt, die das Einbetten unterschiedlicher Zelltypen mit zonal definierter Verteilung kombiniert mit einem gezielten Effekt durch inkorporierte Wachstumsfaktoren. Hierbei sollten unerwünschte Nebeneffekte der im Kern dargebrachten Faktoren auf die jeweils andere Zellsorte, die man bei homogener Faktorengabe über das umgebende Medium erwarten würde, reduziert werden. Weiterhin sollte mittels hybrider Multi-Material-Scaffolds die Steifigkeit des Systems angepasst werden. Material und Methoden: Um ein Design und patientenindividuelle Anforderungen für ein osteochondrales Implantat zu definieren, wurde ein anonymisierter MRT-Datensatz eines Osteochondrosis dissecans(OCD)-Patienten genutzt. Hauptbestandteil des entwickelten Fabrikationssystems war eine Biotinte aus 3% Alginat und 9% Methylcellulose (algMC) mit hChon. Laponit wurde zu den auf algMC basierenden Tinten hinzugefügt, um die Freisetzung von Differenzierungsfaktoren zu kontrollieren und damit eine verzögerte Gabe in mehrschichtigen osteochondralen Konstrukten zu ermöglichen. Ein druckbarer Kalziumphosphatzement (CPC) wurde als Mineralphase genutzt. Im Biodruckprozess wurde der Mehrkanaldruck angewandt, um durch alternierende Extrusion von hChon-beladenem algMC und CPC die mineralisierte Knorpelschicht nachzubilden. Die Zellentwicklung wurde auf biochemischer Ebene und hinsichtlich der exprimierten Gene untersucht. Ein koaxiales Extrusionsmodul wurde zur Ko-Extrusion einer Biotinte (Mantel), bestehend aus algMC beladen mit hChon oder Plasma-funktionalisierter algMC beladen mit humanen Prä-Osteoblasten (hOB), und einer korrespondierenden faktorenbeladenen Biomaterialtinte (Kern) genutzt. Dieses zielspezifische Faktorendepot enthielt jeweils TGF-β3 oder BMP-2. Durch die Technik des Melt Electrowritings (MEW) wurden zusätzliche Scaffolds aus Polycaprolacton(PCL)-Mikrofasern mit einer justierbaren Faserstruktur generiert. Um die Steifigkeit von zellbeladenen Hydrogelen anzupassen, wurden diese Scaffolds als mechanischer Support manuell während des Biodruckprozesses eingebracht. Ergebnisse: Die zugrundeliegenden Strategien des 3D-Extrusions(bio)drucks in klinisch relevanten Dimensionen (Publikation I) wurden an algMC-basierten Tinten, Biotinten und CPC erfolgreich angewandt, um zellbeladene Konstrukte patientenindividueller Form aus mehreren Materialien zu generieren. Durch den Einsatz flexibler und reversibler Software-Lösungen, wurden MRT-Daten eines Patienten mit einem osteochondralen Defekt verwendet, um ein zweischichtiges Implantatdesign zu entwerfen und zu fertigen (Publikation II). Dieses Implantat wies eine adäquate Passgenauigkeit in einem Modell der Läsion in den Femurkondylen, hergestellt per Stereolithografie, auf. Zur chirurgischen Fixierung eines solchen potenziellen Implantats wurde ein individueller Adapter für einen chirurgischen Stößel entwickelt. Das gleiche Materialsystem, prozessierbar mittels Mehrkanaldrucks, erwies sich als kompatibel zum Biodruck von hChon, isoliert aus dem Femurkopf von Hüft-Totalendoprothese-Patienten. Die meisten der Zellen überlebten den Druckprozess und die Kultivierungsbedingungen in monophasigen Scaffolds bestehend aus zellbeladener algMC-Biotinte, sowie in biphasigen Scaffolds mit einer in einer getrennten Schicht verlaufenden oder verwobenen mineralisierten Zone aus CPC. Zellen waren in beiden Ansätzen, als monophasiger oberflächlichen Gelenkknorpel, sowie als kalzifizierte Knorpelschicht, in der Lage, sich zu redifferenzieren; sie zeigten die Expression charakteristischer Matrix-Komponenten und -Gene. Der Kalzium-defizitäre CPC führte zu einer Verminderung der Kalziumionenkonzentration und zu einem initialen Anstieg der Phosphationen im umgebenden Medium. In Gegenwart der CPC-Phase war die Chondrogenese verstärkt (Publikation III). Das Konzept des Kern-Mantel-Biodrucks ermöglichte die örtlich aufgelöste Differenzierung von Zellen (hChon oder hOB), eingebettet in eine Biotinte extrudiert als Mantel-Kompartment, in unmittelbarer Nähe zu einem entsprechenden Faktor-beladenen Depot mit spezifischen Differenzierungsfaktoren. Die Biomaterialtinten für das Kern-Depot wurden durch die Zugabe von Nanoclay(Laponit)-Nanopartikeln hinsichtlich Viskosität und Freisetzungskinetik erfolgreich angepasst. Optische Kohärenztomographie (OCT) wurde als eine zerstörungsfreie Methode zur Beobachtung des koaxialen Strangmusters und der Zellverteilung eingeführt. Die genutzten Tinten erlaubten die Adaption der Freisetzungskurven unterschiedlicher Moleküle wie der Wachstumsfaktoren BMP-2 und TGF-β3. In hChon war die Expression charakteristischer Gene wie Kollagen 2 oder Aggrecan verstärkt, während hOB die für die osteogene Differenzierung typischen Markergene ALP, BGLAP und IBSP exprimierten. Obwohl beide inkorporierten Faktoren auch verstärkende Effekte auf jeweils beide Kompartimente zeigten, konnte der induzierte unerwünschte Effekt der Hypertrophie innerhalb der Knorpelzone sowie die unerwünschte Kollagen Typ 2-Expression innerhalb der Knochenzone erfolgreich verhindert werden. Dies geschah, indem die Faktoren statt homogen über das umgebende Zellkulturmedium mittels Laponit-Tinte und daher freisetzungsverzögernd über die Kern-Depots dargereicht wurden (Publikation IV). Mittels der PCL-Mikrofaser-Gitter-Scaffolds, hergestellt per MEW, mit enger werdenden Fasernetzdichten von 1000 bis 250 µm konnte der E-Modul der algMC-Scaffolds von 10 kPa auf über 50 kPa erhöht werden. Die Zytokompatibilität der hybriden Scaffolds wurden nachgewiesen; auf die Struktur in hybriden algMC-Scaffolds mit einer PCL-Faserdiche von 750 µm reagierten biogedruckte hChon mit einer erhöhten Freisetzung von sulfatierten Glykosaminoglykanen (Publikation V). Schlussfolgerungen: Ein integrierter Ansatz für ein mehrphasiges Implantatdesign, das Einbetten von primären Zellen und die gleichzeitige Anwendung der entsprechenden Wachstumsfaktoren wurde mittels 3D-Extrusions(bio)druck realisiert. Konzepte zum Biodruck von mineralisiertem Knorpel basierend auf algMC und CPC und zur lokalen Faktorengabe in osteochondralen Gewebeersatzstrukturen per Kern-Mantel-Druck wurden entwickelt. Die vorgestellten Ansätze erlauben ein vielseitig adaptierbares, zonales Design, die volle Kontrolle über die örtliche Differenzierung sowie die Reifung der biogedruckten Zellen. Die Vielseitigkeit des modularen Systems ermöglicht zudem das Hinzufügen weiterer Merkmale, was anhand des Einbringens von PCL-Mikrofaser-Scaffolds zur Justierung der mechanischen Eigenschaften der Knorpelzone demonstriert wurde. Eine weitere Option stellt die mechanische Stimulation magnetisch verformbarer algMC-Magnetit-Scaffolds dar. Die wertvollen Erkenntnisse werden als Basis für weitere Anwendungen in vitro sowie in vivo dienen können. All dies kann neue Möglichkeiten und Forschungsrichtungen eröffnen und ist in vielerlei Hinsicht übertragbar auf weitere Materialkombinationen, sowie verschiedene Defekt- und Gewebearten.:Table of Contents List of abbreviations List of figures Legal note 1. Introduction 1.1 The osteochondral interface – function, anatomy and histology 1.2 Pathology of cartilage and osteochondral tissue 1.3 State of the art: treatment of cartilage defects and osteochondral defects 1.4 Tissue engineering for osteochondral regeneration 1.5 Biomedical additive manufacturing and bioprinting 1.6 Hydrogels for bioprinting 1.7 Multi-component and multiphasic strategies to add specific cues and features to bioprinted tissue models 1.8 Additive Manufacturing of patient-specific bone and cartilage substitutes 2. Aims of the thesis List of publications included in the thesis 3. Strategies for biofabrication of volumetric constructs with an individual shape (Publication I) Publication I: Review article 4. Workflow for an MRI-guided, bi-zonal implant design (Publication II) 41 Publication II: Article Publication II: Published supporting information 5. Chondrogenesis in 3D bioprinted constructs and its compatibility with a mineral phase (Publication III) Publication III: Article Publication III: Published supporting information 6. Concept for a zonally defined factor delivery (Publication IV) Publication IV: Article Publication IV: Published supporting information 7. Hybrid bioscaffolds for tailoring mechanical properties of cartilage tissue substitutes (Publication V) Publication V: Article 8. Discussion and outlook References SUMMARY ZUSAMMENFASSUNG Acknowledgements List of other publications (co-)authored by the candidate Scientific congress contributions during PhD phase Journal ranking in Journal Citations Report Appendix I – Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens Appendix 2 – Erklärung zur Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen