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.

The dynamic research fields of biofabrication and tissue engineering (TE) play a pivotal role in bridging the translational gap between research and clinical applications. The advent of 3D printing technologies have prompted great advancements in these two research fields by enabling the fabrication of analogs mimicking the complex hierarchical organization of human tissues and organs. Key to this progress is the development of innovative hydrogels as they can be ideal scaffolding material considering their similarity to the extracellular matrix (ECM), processability under mild conditions, and usually a straightforward and minimally invasive translation into the human body. Hydrogels can be formed by chemical crosslinking using external stimuli (e.g., light) in a quick and controlled manner. In recent years, radical-mediated thiol-ene polymerizations have experienced an awakening of attention in the field of biofabrication and TE. Indeed, this crosslinking strategy yields to hydrogels characterized by lower shrinkage stress, homogenous networks with a low amount of unreacted monomer, along with a high resistance to oxygen inhibition. In this dissertation the focus is centered on developing and optimizing photosensitive biomaterial-based hydrogels tailored for thiol-ene click chemistry strategies, and subsequently integrating these advanced materials with cutting-edge 3D printing techniques. An innovative example of this integration is represented by the development of a novel optical fiber-assisted printing (OFAP) technology which aims to provide a valuable alternative in the field of vat photopolymerization (VPP) and exploit the fast thiol-ene click chemistry crosslinking strategy for both the straightforward 2D photopatterning and the embedded 3D printing of gelatin-based photosensitive precursors. All in all, the continuous evolution of these fabrication technologies along with the development of advanced cell-instructive biomaterials hold promise for transformative breakthroughs in biofabrication and TE. The first chapter of this dissertation contains a comprehensive state of the art about hydrogels in the context of biofabrication and TE, with up-to-date definitions of bioinks and their distinction from biomaterial inks. Moving towards light-based printing techniques, an important definition and contextualization of photopolymer resins and bioresins is given. Furthermore, an in-depth discussion around the state of the art of photosensitive hydrogels and their applications along with the novel light-based 3D printing techniques is highlighted. Eventually, the main goal of the thesis and the contribution of each chapter to the overarching goal are presented. While designing a functionalized biomaterial for TE applications, the possibility to tune its molecular properties, such as average molecular weight and degree of functionalization, represents an important aspect for establishing it as flexible platform towards different cells and tissues. The second chapter of this thesis focuses on the design of functional gelatin-based hydrogels with tuned degree of modification for supporting long-term survival and functionality of primary human fibroblast and endothelial cells. Gelatin, a well-established biomaterial, is modified with allyl moieties (gelAGE) and crosslinked via thiol-ene click chemistry in the presence of a polyethylene glycol (PEG)-based thiolated crosslinker and a photoinitiator. In this work, two gelAGE products, G1MM and G2LH, with different molecular properties are developed. The G2LH-based biomaterial is characterized by longer and less functionalized gelatin chains compared to the G1MM-based analog. These properties are exploited to fabricate a hydrogel featuring a lower total polymer content, thus a lower crosslinking density. Indeed, the G2LH-based hydrogel is characterized by a softer polymer matrix with a homogeneous and open porosity. While the cell viability is comparable in both G1MM- and G2LH-based hydrogels, the latter demonstrates to better support F-acting organization and cell-cell interaction, leading to tubular-like structures in the co-culture samples. The supported cellular functionality from the G2LH-based hydrogel is eventually demonstrated by the secretion of ECM molecules as fibronectin and collagen. This study contributes to the thesis by establishing a tailored and functional biomaterial platform for TE, addressing the specific needs of human primary fibroblast and endothelial cells both in mono- and co-culture. Natural tissues often feature mechanical and functional gradients, thus mimicking these intricated structures with additive manufacturing (AM) approaches poses challenges that includes high spatiotemporal control and availability of versatile biomaterials inks. The third chapter introduces a novel composite biomaterial ink formulation for direct ink writing (DIW) specifically focusing on the fabrication of constructs featuring dual independent gradients. The hypothesis of this study is that the combination of multifunctional cellulose nanofibrils (CNFs), also featuring azido moieties, with a photosensitive gelAGE-based matrix would enable the introduction of independent mechanical and functional gradients. Initially, a precursor solution composed of succinylated nanocellulose (C6SA-CNF), gelAGE, linear di-thiolated PEG and a photoinitiator is used to create mechanical gradients. Two straightforward and alternative strategies, namely gradient and anisotropic printing, are used to achieve this goal. A key aspect for the introduction of functional gradients in the 3D printed analogs is the functionalization of C6SA-CNF with azido moieties (C6SA-CNF-N3). Indeed, these functional groups show the capability of undergoing spontaneous click chemistry with a water-soluble dye (DBCO-Cy5). Independent dual gradients are obtained by using a combination of gradient and anisotropic printing, and subsequently dipping the printed analog into a solution of DBCO-Cy5 to induce the spontaneous click reaction. This chapter explores the unique properties of multifunctional nanocellulose to fabricate independent dual gradients and further corroborate the versatility of gelAGE towards the design of composite biomaterial inks for DIW. The fourth chapter focuses on volumetric bioprinting (VBP), a fabrication technique which holds great potential due to its capability of generating complex cell-tissue constructs in tens of seconds with high-throughput, thus addressing one of the major limitations of established AM technologies. While VBP enables rapid fabrication of living tissue constructs, the challenge remains in developing compatible resins. Specifically, the need for soft hydrogels with suitable viscosity and optical transparency, aligning with the requirements of the technology, represents a significant research gap. The study further advances the technology by exploiting thiol-ene click chemistry to precisely control the hydrogel network architecture and match the fast-printing times of VBP, while maintaining exceptionally soft polymer matrices. This chapter significantly contributes to the thesis by modifying the gelAGE platform towards soft photoresins for VBP, enabling an environment suitable for adipose tissue engineering. In the fifth chapter of this dissertation, a novel and straightforward light-based 3D printing technology, OFAP, is presented as valuable alternative in the field of VPP. In this study, an innovative LED-coupled optical fiber is combined with an automated platform which control its spatiotemporal position for both 2D and 3D printing of photosensitive gelatin-based resins. OFAP demonstrates enhanced precision for 2D photopatterning through the on-the-fly adjustment of printing parameters as gap and light dosage, offering a versatile and reproducible platform for fabricating structures with progressive features and multi-material constructs, layer-by-layer. An optimized resin composition utilizing gelAGE with food dyes as light absorbers is introduced. Furthermore, a novel gelatin-based biomaterial featuring alkyne groups, exhibits absorption in near-visible light, aligning with OFAP requirements. Beyond 2D patterning, OFAP extends to embedded 3D printing within a resin bath, demonstrating potential towards the fabrication of biomimetic scaffolds and TE. The sixth chapter contains an exhaustive conclusive discussion about the findings of each chapter and their contribution to the final goal of the dissertation along with future perspectives. Overall, this dissertation contains innovative approaches to harness the great potential of advanced cell instructive biomaterials and cutting-edge 3D printing techniques to contribute on the fast-paced evolution of biofabrication and TE. Particularly, a tunable and flexible gelatin-based biomaterial is presented to not only fabricate hydrogels suitable for specific tissue and cells, but also as universal biomaterial ink and bioresin platform adaptable for cutting-edge 3D printing techniques as DIW, OFAP and VBP. / Die dynamischen Forschungsbereiche der Biofabrikation und des Tissue Engineering (TE) spielen eine entscheidende Rolle bei der Überbrückung der Kluft zwischen Forschung und klinischen Anwendungen. Das Aufkommen von 3D-Drucktechnologien hat zu großen Fortschritten in diesen beiden Forschungsbereichen geführt, da sie die Herstellung von Analoga ermöglichen, die die komplexe hierarchische Organisation von menschlichem Gewebe und Organen nachahmen. Der Schlüssel zu diesem Fortschritt ist die Entwicklung innovativer Hydrogele, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit dem extrakutanen Gewebe und den Organen ein ideales Gerüstmaterial sein können aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit der extrazellulären Matrix (ECM), ihrer Verarbeitbarkeit unter milden Bedingungen und ihrer in der Regel unkomplizierten und minimalinvasiven Anwendung im menschlichen Körper. Hydrogele können durch chemische Vernetzung unter Verwendung externer Reize (z. B. Licht) schnell und kontrolliert gebildet werden. In den letzten Jahren wurde die radikal-vermit- telte Thiol-En-Polymerisationen in den letzten Jahren auf dem Gebiet der Biofabrikation und der TE große Aufmerksamkeit erlangt. Diese Vernetzungsstrategie führt zu Hydrogelen, die sich durch eine geringere Schrumpfspannung, homogene Netzwerke mit einem geringen Anteil an nicht umgesetzten Monomeren und eine hohe Beständigkeit gegen Sauerstoffinhibition auszeichnen. In dieser Dissertation liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Optimierung lichtempfindlicher Hydrogele auf Biomaterialbasis, die für Thiol-En-Click-Chemie-Strategien maßgeschneidert sind, und der anschließenden Integration dieser fortschrittlichen Materialien in modernste 3D-Drucktechniken. Ein innovatives Beispiel für diese Integration ist die Entwicklung einer neuartigen faseroptischen Drucktechnologie (OFAP), die eine wertvolle Alternative im Bereich der Bottich- Photopolymerisation (VPP) darstellt und die schnelle Thiol-En-Click-Chemie-Ver- netzungsstrategie sowohl für die einfache 2D-Photostrukturierung als auch für den eingebetteten 3D-Druck von lichtempfindlichen Gelatine-basierten Vorläufern nutzt. Alles in allem verspricht die kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Herstellungstechnologien zusammen mit der Entwicklung fortschrittlicher zellin- struktiver Biomaterialien transformative Durchbrüche in der Biofabrikation und TE. Das erste Kapitel dieser Dissertation enthält einen umfassenden Überblick über den Stand der Technik bei Hydrogelen im Zusammenhang mit Biofabrikation und TE, mit aktuellen Definitionen von Biotinten und deren Unterscheidung von Bio- materialtinten. Im Hinblick auf lichtbasierte Drucktechniken wird eine wichtige Definition und Kontextualisierung von Photopolymerharzen und Bioresinen gegeben. Darüber hinaus wird der aktuelle Stand der Technik bei lichtempfindlichen Hydrogelen und ihren Anwendungen sowie den neuartigen lichtbasierten 3D-Drucktechniken eingehend erörtert. Schließlich werden das Hauptziel der Arbeit und der Beitrag der einzelnen Kapitel zu diesem übergeordneten Ziel vorgestellt. Bei der Entwicklung eines funktionalisierten Biomaterials für TE-Anwendungen ist die Möglichkeit, seine molekularen Eigenschaften, wie z. B. das durchschnittliche Molekulargewicht und den Grad der Funktionalisierung, einzustellen, ein wichtiger Aspekt, um es als flexible Plattform für verschiedene Zellen und Gewebe zu etablieren. Das zweite Kapitel dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung funktioneller Hydrogele auf Gelatinebasis mit abgestimmtem Modifizierungsgrad zur Unterstütz- ung des langfristigen Überlebens und der Funktionalität primärer menschlicher Fibroblasten und Endothelzellen. Gelatine, ein bewährtes Biomaterial, wird mit Allylgruppen (gelAGE) modifiziert und über Thiol-En-Click-Chemie in Gegenwart eines thiolierten Vernetzers auf Polyethylenglykol Basis (PEG) und eines Photoinitiators vernetzt. In dieser Arbeit werden zwei gelAGE-Produkte, G1MM und G2LH, mit unterschiedlichen molekularen Eigenschaften entwickelt. Das auf G2LH basierende Biomaterial zeichnet sich durch längere und weniger funktionalisierte Gelatineketten im Vergleich zum G1MM-basierten Analogon aus. Diese Eigenschaften werden ausgenutzt um ein Hydrogel herzustellen, das einen geringeren Gesamtpolymer- gehalt und damit eine geringere Vernetzungsdichte aufweist. Das Hydrogel auf G2LH-Basis zeichnet sich durch eine weichere Polymermatrix mit einer homogenen und offenen Porosität aus. Während die Lebensfähigkeit der Zellen sowohl in den G1MM- als auch in den G2LH-basierten Hydrogelen vergleichbar ist, zeigt sich, dass letztere eine bessere F-Organisation und Zell-Zell-Interaktion unterstützen, was zu röhrenartigen Strukturen in den Co-Kulturproben führt. Die durch das G2LH-Hy- drogel unterstützte zelluläre Funktionalität Hydrogels wird schließlich durch die Sekretion von ECM-Molekülen wie Fibronektin und Kollagen nachgewiesen. Diese Studie leistet einen Beitrag zur Dissertation, indem sie eine maßgeschneiderte und funktionelle Biomaterialplattform für TE entwickelt, die den spezifischen Bedürfnissen von humanen primären Fibroblasten- und Endothelzellen sowohl in Mono- als auch in Co-Kultur gerecht wird. Natürliche Gewebe weisen häufig mechanische und funktionale Gradienten auf. Die Nachahmung dieser komplizierten Strukturen mit additiven Fertigungsverfahren (AM) stellt daher eine Herausforderung dar, zu der eine hohe räumliche und zeitliche Kontrolle und die Verfügbarkeit vielseitiger Biomaterialtinten gehören. Im dritten Kapitel wird eine neuartige Komposit-Biomaterialtintenformulierung für das Direct Ink Writing (DIW) vorgestellt, die speziell auf die Herstellung von Konstrukten mit zwei unabhängigen Gradienten ausgerichtet ist. Die Hypothese dieser Studie ist, dass die Kombination von multifunktionalen Cellulose-Nanofibrillen (CNFs), die auch Azidogruppen, mit einer lichtempfindlichen Matrix auf der Basis von gelAGE die Einführung unabhängiger mechanischer und funktioneller Gradienten ermöglichen würde. Zunächst wird eine Vorläuferlösung aus succinylierter Nanocellulose (C6SA-CNF), gelAGE, linearem di-thioliertem PEG und einem Photoinitiator verwendet, um mechanische Gradienten zu erzeugen. Zur Erreichung dieses Ziels werden zwei einfache und alternative Strategien, nämlich das Gradienten- und das anisotrope Drucken, eingesetzt. Ein Schlüsselaspekt für die Einführung funktioneller Gradienten in den 3D-gedruckten Analoga ist die Funktionalisierung von C6SA-CNF mit Azidogruppen (C6SA-CNF-N3). Diese funktionellen Gruppen sind in der Lage, eine spontane Klick-Chemie mit einem wasserlöslichen Farbstoff (DBCO-Cy5) einzugehen. Unabhängige duale Gradienten werden durch eine Kombination aus Gradienten- und anisotropem Druck und anschließendem Eintauchen des gedruckten Analogons in eine DBCO-Cy5-Lösung zur Auslösung der spontanen Click-Reaktion erzielt. In diesem Kapitel werden die einzigartigen Eigenschaften der multifunktiona- len Nanocellulose zur Herstellung unabhängiger dualer Gradienten erforscht und die Vielseitigkeit von gelAGE im Hinblick auf die Entwicklung von zusammengesetzten Biomaterialtinten für DIW weiter untermauert. Das vierte Kapitel befasst sich mit dem volumetrischen Bioprinting (VBP), einer Herstellungstechnik, die aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe Zell-Gewebe-Konstrukte in wenigen Sekunden und mit hohem Durchsatz zu erzeugen, ein großes Potenzial birgt und damit eine der größten Einschränkungen etablierter AM-Technologien überwindet. Während VBP die schnelle Herstellung von lebenden Gewebekonstrukten ermöglicht, besteht die Herausforderung in der Entwicklung kompatibler Harze. Insbesondere der Bedarf an weichen Hydrogelen mit geeigneter Viskosität und optischer Transparenz, die mit den Anforderungen der Technologie übereins- timmen, stellt eine erhebliche Forschungslücke dar. Die Studie bringt die Technologie weiter voran, indem sie die Thiol-En-Click-Chemie nutzt, um die Architektur des Hydrogel-Netzwerks präzise zu steuern und die schnellen Druckzeiten von VBP zu erreichen, während gleichzeitig außergewöhnlich weiche Polymermatrizen erhalten bleiben. Dieses Kapitel leistet einen wichtigen Beitrag zur Dissertation, indem es die gelAGE-Plattform in Richtung weiches Photoresin für VBP modifiziert und damit eine Umgebung ermöglicht, die für das Adipose Tissue Engineering geeignet ist. Im fünften Kapitel dieser Dissertation wird eine neuartige und unkomplizierte lichtbasierte 3D-Drucktechnologie, OFAP, als wertvolle Alternative im Bereich des VPP vorgestellt. In dieser Studie wird eine innovative LED-gekoppelte optische Faser mit einer automatisierten Plattform kombiniert, die ihre räumlich-zeitliche Position sowohl für den 2D- als auch den 3D-Druck von lichtempfindlichen gelatinebasierten Harzen kontrolliert. OFAP zeigt eine verbesserte Präzision für das 2D-Photomustering durch die fliegende Anpassung von Druckparametern wie Spalt und Lichtdosierung und bietet eine vielseitige und reproduzierbare Plattform für die Herstellung von Strukturen mit progressiven Merkmalen und Multi- materialkonstruktionen, Schicht für Schicht. Eine optimierte Harzzusammensetzung unter Verwendung von gelAGE mit Lebensmittelfarbstoffen als Lichtabsorber wird vorgestellt. Darüber hinaus zeigt ein neuartiges Biomaterial auf Gelatine- basis mit Alkin-Gruppen eine Absorption im nahen sichtbaren Bereich, was den OFAP-Anforderungen entspricht. Über die 2D-Musterung hinaus ermöglicht OFAP auch den eingebetteten 3D-Druck in einem Harzbad und zeigt damit das Potenzial für die Herstellung biomimetischer Gerüste und TE. Das sechste Kapitel enthält eine ausführliche abschließende Diskussion über die Ergebnisse der einzelnen Kapitel und ihren Beitrag zum Endziel der Dissertation sowie Zukunftsperspektiven. Insgesamt enthält diese Dissertation innovative Ansätze zur Nutzung des großen Potenzials fortschrittlicher zellinstruktiver Biomaterialien und modernster 3D-Drucktechniken, um zur rasanten Entwicklung der Biofabrikation und TE beizutragen. Insbesondere wird ein abstimmbares und flexibles Biomaterial auf Gelatinebasis vorgestellt, mit dem nicht nur Hydrogele hergestellt werden können, die für bestimmte Gewebe und Zellen geeignet sind, sondern das auch als universelle Biomaterialtinte und Bioresin-Plattform für modernste 3D-Druckverfahren wie DIW, OFAP und VBP geeignet ist.

War bisher die Gestalt von Bauteilen und Baugruppen in Konstruktionen sehr stark durch ihre Fertigungsverfahren beeinflusst, so ändern sich diese Vorgaben durch die Verwendung von 3D- Druck auf beinahe revolutionäre Art und Weise. Und somit werden Ansätze salonfähig, die bisher doch eher selten in Anwendung waren, wie z.B. Gitterstrukturen oder Topologieoptimierung. Diese finden nun wieder häufiger ihren Weg in die Bauteil- und Baugruppenstrukturen. Die Verwendung birgt aber auch damit einhergehende Herausforderungen, da sich z.B. die Bauteilgrößen nach einer Topologieoptimierung drastisch vergrößern und z.B. auch die Glättung der Teile für den Druck, sowie die Rückführung in die CAD-Systeme, häufig noch eine ungelöste Aufgabe darstellen. Diese Ansätze müssen bezogen auf den PLM Gedanken, prozesstechnisch durchdacht und entsprechend implementiert werden. Der Vortrag beschäftigt sich mit der dafür notwendigen Prozesskette vom CAD-Model über die Simulationsverfahren wie Topologieoptimierung oder Gitterstrukturen, Glättung von Strukturen u.v.m. sowie deren Rückführung ins CAD/PLM.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2006

Zugl.: Dortmund, Techn. Univ., Diss., 2007

Zugl.: Hamburg, Univ., Diss., 2008