Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

Techn. Hochsch., Diss., 2000--Aachen.

Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2003--Mannheim.

Three-dimensional (3D) bioprinting has become a fast-developing research field in the last few years. Many different technical solutions are available, with extrusion-based printing being the most promising and versatile method. In addition, a variety of biomaterials are already available for 3D printing of live cells. The real challenge, however, remains bioprinting of macroscopic, volumetric constructs of well-defined structures since hydrogels used for cell-embedding must consist of rather soft materials. This article describes recent developments to overcome these limitations that prevent clinical applications of bioprinted human tissues. New approaches include technical solutions such as in situ cross-linking or gelation processes that now can be performed during the bioprinting process, modified bioinks that combine suitable viscosity and cytocompatible gelation mechanisms, and utilization of additional materials to provide mechanical strength to the cell-laden constructs.

After decades of experimental investigation, the dynamics howindividual cellsmove or deform-perfectly orchestrated for the creation and proliferation of tissue - remain partly unknown. In most recent years, the use of computational models, also called in silico experiments, has become a focus of interest. Due to their flexible scaling, compared to classical in vivo and in vitro studies, simulations can give important insights in the dynamics of cellular structures. We investigate Multi-Phasefield models for cellular structures, a versatile approach, capable of capturing complex changes in cell shape. Furthermore, it gives large flexibility in the modeling of cell-cell interactions and subcellular details like the propulsion machinery. The dynamics how these motility mechanisms create complex movement patterns on the tissue scale, will be a particular focus of this thesis. We compare four essentially different ways to introduce activity in Multi-Phasefield models, from movement driven by a random walk or the macroscopic shape of each cell towards a description of the subcellular machinery using either a polar or a nematic approach. For the different propulsion models, we investigate a variety of phenomena. Starting from the observation that the polar model creates collective motion, we observe that the resulting alignments resemble those of passive systems, expressed in Lewis’ and Aboav-Weaire’s law. Furthermore, we study a transition between solid and liquid state of the tissue, known to be important for many developmental processes. Additionally, we analyze the occurring patterns in the cellular alignment and flow, for systems in both confluence and confinement. Afterwards, we investigate the alignment of cell deformations with methods known from nematic structures. This reveals how the different propulsion mechanisms cause contractile or extensile behavior, classified by the movement of topological defects and the distribution of strain in their vicinity. At the end of this thesis, we show two extensions of themodels, capable of including growth and division of cells and generalizations towards curved manifolds as computational domains. Furthermore, we give an outlook on a possible roadmap for the future of Multi-Phasefield models in the description of cellular structures and their potential for a better understanding of the dynamics in the creation of life.

Die endoprothetische Versorgung des Hüftgelenks stellt eines der am häufigsten durchgeführten und erfolgreichsten operativen Behandlungsverfahren dar. Mögliche Komplikationen sind vor allem die aseptische Lockerung und die Luxation. Strategien zur Verringerung der Luxationshäufigkeit bei Patienten sind unter anderem die Schonung sowie die Rekonstruktion des umliegenden Weichteilgewebes des Hüftgelenks. Dezellularisiertes Gewebe wird hierbei vereinzelt in der Weichteilrekonstruktion von Muskeln, Sehnen und Bändern nach Traumata eingesetzt. Dieses Gewebe weist eine extrazelluläre Matrix auf, welche eine verbesserte Biointegration und damit einhergehenden guten Heilungsverlauf ermöglicht. Aus diesen Kenntnissen leitete sich die Frage ab, ob der Einsatz von dezellularisierten Geweben auch eine theoretische Möglichkeit für die Weichteilrekonstruktion im Bereich des Hüftgelenks darstellen könnte. Dazu wurden in dieser Arbeit zum einen die passiv-mechanischen Eigenschaften der Hüftkapselbänder untersucht und zum anderen der Einfluss der Dezellularisierung auf das mechanische Verhalten von porcinem Gewebe (Dermis, Ureter und Ösophagus) analysiert. In weiteren Untersuchungen ist das Versagensverhalten einer muskulären Anbindung nach tumorendoprothetischer Versorgung mit der nativen Anbindung verglichen worden. Für die Analysen mittels uniaxialem Zugversuch ist ein Prüfprotokoll weiterentwickelt und adaptiert worden, um einen standardisierten Ablauf für die biomechanische Testung und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Die Gegenüberstellung der Ergebnisse aus den Untersuchungen der Hüftkapselbänder und der dezellularisierten Gewebe zeigte eine höhere Zugfestigkeit sowie ein höheres E-Modul für die dezellularisierten Hohlorgane. Diese Resultate würden zunächst für den Einsatz in der Weichteilrekonstruktion sprechen, allerdings ist die Dehnung nach der Dezellularisierung geringer. Eine alternative Anwendung der dezellularisierten Hohlorgane ergibt sich aus der Ähnlichkeit zum Trevira®-Anbindungsschlauch. Durch die Schlauchform der Hohlorgane können diese wie der Anbindungsschlauch über die Tumorendoprothese gestülpt werden, so dass das native Gewebe des Patienten nach Refixation leichter anwachsen kann. Es ist jedoch zu beachten, dass die Durchmesser der Hohlorgane im Vergleich zum Hüftkopfdurchmesser und zur Tumorendoprothese geringere Abmaße aufweisen. Deshalb muss nach einem alternativen Gewebe gesucht werden, welches nicht nur eine ausreichende Größe, sondern auch die mechanischen Eigenschaften aufweist. Ist ein solches Alternativmaterial ermittelt worden, müssen weiterhin Untersuchungen bzgl. der Handhabung sowie der Toxizität durchgeführt werden. Zusammenfassend und basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit kommen die dezellularisierten Gewebe aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften für den Einsatz in der Weichteilrekonstruktion des Hüftgelenks aus biomechanischer Sicht in Frage. Sie eröffnen die Möglichkeit, die Versorgung von Hochrisikopatienten zu verbessern und diese schneller zu mobilisieren. Um die Beurteilung vollends abzuschließen, sind weitere Untersuchungen alternativer Gewebe notwendig. Diese betreffen nicht nur den Vergleich der mechanischen Eigenschaften, sondern auch die Biokompatibilität bei der Verwendung in der Weichteilrekonstruktion.:I. Abkürzungen II II. Abbildungsverzeichnis II III. Tabellenverzeichnis II 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Anatomie des Hüftgelenks 3 2.1.1 Knöcherne Struktur 3 2.1.2 Labrum acetabuli, Hüftkapsel und Bandapparat 4 2.1.3 Muskulatur für die aktive Bewegung des Hüftgelenks 6 2.1.4 Bedeutung des labrokapsulären Komplexes für die Luxationsstabilität des Hüftgelenks 7 2.2 Hüftendoprothetik 8 2.2.1 Aufbau und Funktion einer Hüfttotalendoprothese 8 2.2.2 Bedeutung der Weichteilrekonstruktion nach endoprothetischer Versorgung des Hüftgelenks 10 2.3 Dezellularisierung 11 2.3.1 Aufbau des Bindegewebes 11 2.3.2 Einsatz dezellularisierter Gewebe 12 2.4 Methodisches Vorgehen 13 2.4.1 Prüfprotokoll für die mechanische Charakterisierung 13 2.4.2 Verfahren der Dezellularisierung 19 3 Publikationen 21 3.1 Tensile properties of the hip joint ligaments are largely variable and age-dependent – An in-vitro analysis investigating an age span between 14 and 93 years 21 3.2 Load and failure behavior of human muscle samples in the context of proximal femur replacement 29 3.3 Acellularization-Induced Changes in Tensile Properties Are Organ Specific - An In-Vitro Mechanical and Structural Analysis of Porcine Soft Tissues 37 4 Diskussion 62 5 Zusammenfassung der Arbeit 67 6 Literaturverzeichnis 69 IV. Darstellung des eigenen Beitrags 77 V. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 80 VI. Lebenslauf und wissenschaftlicher Werdegang 81 VII. Danksagung 88

An essential prerequisite for the existence of multi-cellular life is the organization of cells into tissues. In this thesis, we theoretically study how large-scale tissue properties can emerge from the collective behavior of individual cells. To this end, we focus on the properties of epithelial tissue, which is one of the major tissue types in animals. We study how rheological properties of epithelia emerge from cellular processes, and we develop a physical description for the dynamics of an epithelial cell polarity. We apply our theoretical studies to observations in the developing wing of the fruit fly, Drosophila melanogaster. In order to study epithelial mechanics, we first develop a geometrical framework that rigorously describes the deformation of two-dimensional cellular networks. Our framework decomposes large-scale deformation into cellular contributions. For instance, we show how large-scale tissue shear decomposes into contributions by cell shape changes and into contributions by different kinds of topological transitions. We apply this framework in order to quantify the time-dependent deformation of the fruit fly wing, and to decompose it into cellular contributions. We also use this framework as a basis to study large-scale rheological properties of epithelia and their dependence on cellular fluctuations. To this end, we represent epithelial tissues by a vertex model, which describes cells as elastic polygons. We extend the vertex model by introducing fluctuations on the cellular scale, and we develop a method to perform perpetual simple shear simulations. Analyzing the steady state of such simple shear simulations, we find that the rheological behavior of vertex model tissue depends on the fluctuation amplitude. For small fluctuation amplitude, it behaves like a plastic material, and for high fluctuation amplitude, it behaves like a visco-elastic fluid. In addition to analyzing mechanical properties, we study the reorientation of an epithelial cell polarity. To this end, we develop a simple hydrodynamic description for polarity reorientation. In particular, we account for polarity reorientation by tissue shear, by another polarity field, and by local polarity alignment. Furthermore, we develop methods to quantify polarity patterns based on microscopical images of the fly wing. We find that our hydrodynamic description does not only account for polarity reorientation in wild type fly wings. Moreover, it is for the first time possible to also account for the observed polarity patterns in a number of genetically altered flies. / Eine wesentliche Voraussetzung für die Existenz mehrzelligen Lebens ist, dass sich einzelne Zellen sinnvoll zu Geweben ergänzen können. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie großskalige Eigenschaften von Geweben aus dem kollektiven Verhalten einzelner Zellen hervorgehen. Dazu konzentrieren wir uns auf Epitheliengewebe, welches eine der Grundgewebearten in Tieren darstellt. Wir stellen theoretische Untersuchungen zu rheologischen Eigenschaften und zu zellulärer Polarität von Epithelien an. Diese theoretischen Untersuchungen vergleichen wir mit experimentellen Beobachtungen am sich entwickelnden Flügel der schwarzbäuchigen Taufliege (Drosophila melanogaster). Um die Mechanik von Epithelien zu untersuchen, entwickeln wir zunächst eine geometrische Beschreibung für die Verformung von zweidimensionalen zellulären Netzwerken. Unsere Beschreibung zerlegt die mittlere Verformung des gesamten Netzwerks in zelluläre Beitrage. Zum Beispiel wird eine Scherverformung des gesamten Netzwerks auf der zellulären Ebene exakt repräsentiert: einerseits durch die Verformung einzelner Zellen und andererseits durch topologische Veränderungen des zellulären Netzwerks. Mit Hilfe dieser Beschreibung quantifizieren wir die Verformung des Fliegenflügels während des Puppenstadiums. Des Weiteren führen wir die Verformung des Flügels auf ihre zellulären Beiträge zurück. Wir nutzen diese Beschreibung auch als Ausgangspunkt, um effektive rheologische Eigenschaften von Epithelien in Abhängigkeit von zellulären Fluktuationen zu untersuchen. Dazu simulieren wir Epithelgewebe mittels eines Vertex Modells, welches einzelne Zellen als elastische Polygone abstrahiert. Wir erweitern dieses Vertex Modell um zelluläre Fluktuationen und um die Möglichkeit, Schersimulationen beliebiger Dauer durchzuführen. Die Analyse des stationären Zustands dieser Simulationen ergibt plastisches Verhalten bei kleiner Fluktuationsamplitude und visko-elastisches Verhalten bei großer Fluktuationsamplitude. Neben mechanischen Eigenschaften untersuchen wir auch die Umorientierung einer Zellpolarität in Epithelien. Dazu entwickeln wir eine einfache hydrodynamische Beschreibung für die Umorientierung eines Polaritätsfeldes. Wir berücksichtigen dabei insbesondere Effekte durch Scherung, durch ein anderes Polaritätsfeld und durch einen lokalen Gleichrichtungseffekt. Um unsere theoretische Beschreibung mit experimentellen Daten zu vergleichen, entwickeln wir Methoden um Polaritätsmuster im Fliegenflügel zu quantifizieren. Schließlich stellen wir fest, dass unsere hydrodynamische Beschreibung in der Tat beobachtete Polaritätsmuster reproduziert. Das gilt nicht nur im Wildtypen, sondern auch in genetisch veränderten Tieren.

An essential prerequisite for the existence of multi-cellular life is the organization of cells into tissues. In this thesis, we theoretically study how large-scale tissue properties can emerge from the collective behavior of individual cells. To this end, we focus on the properties of epithelial tissue, which is one of the major tissue types in animals. We study how rheological properties of epithelia emerge from cellular processes, and we develop a physical description for the dynamics of an epithelial cell polarity. We apply our theoretical studies to observations in the developing wing of the fruit fly, Drosophila melanogaster. In order to study epithelial mechanics, we first develop a geometrical framework that rigorously describes the deformation of two-dimensional cellular networks. Our framework decomposes large-scale deformation into cellular contributions. For instance, we show how large-scale tissue shear decomposes into contributions by cell shape changes and into contributions by different kinds of topological transitions. We apply this framework in order to quantify the time-dependent deformation of the fruit fly wing, and to decompose it into cellular contributions. We also use this framework as a basis to study large-scale rheological properties of epithelia and their dependence on cellular fluctuations. To this end, we represent epithelial tissues by a vertex model, which describes cells as elastic polygons. We extend the vertex model by introducing fluctuations on the cellular scale, and we develop a method to perform perpetual simple shear simulations. Analyzing the steady state of such simple shear simulations, we find that the rheological behavior of vertex model tissue depends on the fluctuation amplitude. For small fluctuation amplitude, it behaves like a plastic material, and for high fluctuation amplitude, it behaves like a visco-elastic fluid. In addition to analyzing mechanical properties, we study the reorientation of an epithelial cell polarity. To this end, we develop a simple hydrodynamic description for polarity reorientation. In particular, we account for polarity reorientation by tissue shear, by another polarity field, and by local polarity alignment. Furthermore, we develop methods to quantify polarity patterns based on microscopical images of the fly wing. We find that our hydrodynamic description does not only account for polarity reorientation in wild type fly wings. Moreover, it is for the first time possible to also account for the observed polarity patterns in a number of genetically altered flies.:1 Introduction 1.1 The development of multi-cellular organisms 1.2 Biology of epithelial tissues 1.3 The model system Drosophila melanogaster 1.4 Planar cell polarity 1.5 Physical description of biological tissues 1.6 Overview over this thesis 2 Tissue shear in cellular networks 2.1 Geometry of tissue deformation on the cellular scale 2.2 Decomposition of the large-scale flow field into cellular contributions 2.3 Cellular contributions to the flow field in the fruit fly wing 2.4 Discussion 3 Rheological behavior of vertex model tissue under external shear 3.1 A vertex model to describe epithelial mechanics 3.2 Fluctuation-induced fluidization of tissue 3.3 Discussion 4 Quantitative study of polarity reorientation in the fruit fly wing 4.1 Experimentally quantified polarity patterns 4.2 Effective hydrodynamic theory for polarity reorientation 4.3 Comparison of theory and experiment 4.4 Discussion 5 Conclusions and outlook Appendices: A Algebra of real 2 × 2 matrices B Deformation of triangle networks C Simple shear simulations using the vertex model D Coarse-graining of a cellular Core PCP model E Quantification of polarity patterns in the fruit fly wing F Theory for polarity reorientation in the fruit fly wing G Boundary conditions for the polarity field in the fruit fly wing Table of symbols Bibliography / Eine wesentliche Voraussetzung für die Existenz mehrzelligen Lebens ist, dass sich einzelne Zellen sinnvoll zu Geweben ergänzen können. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie großskalige Eigenschaften von Geweben aus dem kollektiven Verhalten einzelner Zellen hervorgehen. Dazu konzentrieren wir uns auf Epitheliengewebe, welches eine der Grundgewebearten in Tieren darstellt. Wir stellen theoretische Untersuchungen zu rheologischen Eigenschaften und zu zellulärer Polarität von Epithelien an. Diese theoretischen Untersuchungen vergleichen wir mit experimentellen Beobachtungen am sich entwickelnden Flügel der schwarzbäuchigen Taufliege (Drosophila melanogaster). Um die Mechanik von Epithelien zu untersuchen, entwickeln wir zunächst eine geometrische Beschreibung für die Verformung von zweidimensionalen zellulären Netzwerken. Unsere Beschreibung zerlegt die mittlere Verformung des gesamten Netzwerks in zelluläre Beitrage. Zum Beispiel wird eine Scherverformung des gesamten Netzwerks auf der zellulären Ebene exakt repräsentiert: einerseits durch die Verformung einzelner Zellen und andererseits durch topologische Veränderungen des zellulären Netzwerks. Mit Hilfe dieser Beschreibung quantifizieren wir die Verformung des Fliegenflügels während des Puppenstadiums. Des Weiteren führen wir die Verformung des Flügels auf ihre zellulären Beiträge zurück. Wir nutzen diese Beschreibung auch als Ausgangspunkt, um effektive rheologische Eigenschaften von Epithelien in Abhängigkeit von zellulären Fluktuationen zu untersuchen. Dazu simulieren wir Epithelgewebe mittels eines Vertex Modells, welches einzelne Zellen als elastische Polygone abstrahiert. Wir erweitern dieses Vertex Modell um zelluläre Fluktuationen und um die Möglichkeit, Schersimulationen beliebiger Dauer durchzuführen. Die Analyse des stationären Zustands dieser Simulationen ergibt plastisches Verhalten bei kleiner Fluktuationsamplitude und visko-elastisches Verhalten bei großer Fluktuationsamplitude. Neben mechanischen Eigenschaften untersuchen wir auch die Umorientierung einer Zellpolarität in Epithelien. Dazu entwickeln wir eine einfache hydrodynamische Beschreibung für die Umorientierung eines Polaritätsfeldes. Wir berücksichtigen dabei insbesondere Effekte durch Scherung, durch ein anderes Polaritätsfeld und durch einen lokalen Gleichrichtungseffekt. Um unsere theoretische Beschreibung mit experimentellen Daten zu vergleichen, entwickeln wir Methoden um Polaritätsmuster im Fliegenflügel zu quantifizieren. Schließlich stellen wir fest, dass unsere hydrodynamische Beschreibung in der Tat beobachtete Polaritätsmuster reproduziert. Das gilt nicht nur im Wildtypen, sondern auch in genetisch veränderten Tieren.:1 Introduction 1.1 The development of multi-cellular organisms 1.2 Biology of epithelial tissues 1.3 The model system Drosophila melanogaster 1.4 Planar cell polarity 1.5 Physical description of biological tissues 1.6 Overview over this thesis 2 Tissue shear in cellular networks 2.1 Geometry of tissue deformation on the cellular scale 2.2 Decomposition of the large-scale flow field into cellular contributions 2.3 Cellular contributions to the flow field in the fruit fly wing 2.4 Discussion 3 Rheological behavior of vertex model tissue under external shear 3.1 A vertex model to describe epithelial mechanics 3.2 Fluctuation-induced fluidization of tissue 3.3 Discussion 4 Quantitative study of polarity reorientation in the fruit fly wing 4.1 Experimentally quantified polarity patterns 4.2 Effective hydrodynamic theory for polarity reorientation 4.3 Comparison of theory and experiment 4.4 Discussion 5 Conclusions and outlook Appendices: A Algebra of real 2 × 2 matrices B Deformation of triangle networks C Simple shear simulations using the vertex model D Coarse-graining of a cellular Core PCP model E Quantification of polarity patterns in the fruit fly wing F Theory for polarity reorientation in the fruit fly wing G Boundary conditions for the polarity field in the fruit fly wing Table of symbols Bibliography

3D textile performs offer a high potential to increase mechanical properties of composites and they can reduce the production steps and costs as well. The variety of woven structures is enormous. The algorithms based on the conventional weaving notation can only represent the possible woven structures in a limited way. Within the scope of this dissertation, a new weaving notation was developed in order to analyze the multilayer woven structures analytically. Technological solutions were developed in order to guarantee a reproducible preform production with commingled hybrid yarns. Terry weaving technique can be utilized to create vertical connections on carrier fabrics, which makes it suitable for the development of complex profiles. A double rapier weaving machine was modified with electronically controlled terry weaving and pneumatic warp yarn pull-back systems. Various spacer fabrics and 3D profiles were developed. A linear take-up system is developed to assure reproducible preform production with a minimum material damage. Integrated cutting and laying mechanisms on the take-up system provides a high level of automation.