The present work deals with the preparation of hydrogels in different size scales for various applications. Thus, macroscopic bulk hydrogels were prepared from differently modified pig gastric mucin (PGM), microgels were made from PGM in combination with hyaluronic acid (HA), as well as from gelatin in combination with poly(ethylene glycol) (PEG), and nanogels were fabricated from poly(glycidol) (PG). According to their size, each hydrogels have different applications. First, it was investigated whether previously existing studies involving the preparation of covalently crosslinked hydrogels via free radical polymerization from bovine submaxillary gland mucin (BSM) could also be carried out with the much cheaper alternative PGM. After this was successfully demonstrated and the hydrogels were systematically investigated for their mechanical properties and biocompatibility, a second hydrogel system was established. Here, PGM was functionalized with allyl glycidyl ether (AGE) and crosslinked in combination with thiolated HA via thiol-ene reaction. These hydrogels were also systematically evaluated and compared with the hydrogels prepared via free radical polymerization. It was confirmed that the more random free radical polymerization leads to more disordered networks than the thiol-ene reaction. In both systems, biocompatibility was demonstrated with both L929 CCL1 murine fibroblasts and human mesenchymal stem cells (hMSCs). Using this knowledge as background and the request to make mucin printable, microgels were prepared via the emulsion technique using the previously established thiol-ene hydrogel precursor solution. Here, applying the recently used photoinitiator 2-hydroxy-4-(2-hydroxyethoxy)-2- methylpropiophenone (Irgacure 2959), which is more soluble in oil than in water, was challenging and did not result in well-crosslinked microgels. Therefore, a third hydrogel system was established, which was based on thiol-ene crosslinked AGE functionalized pig gastric mucin (PGM-AGE)-thiolated hyaluronic acid (HASH) hydrogels and with lithium phenyl-2,4,6- trimethylbenzoylphosphinate (LAP) being used as photoinitiator. Hereby, stably crosslinked microgels could be prepared via the emulsion technique. After the jamming process, which means the extraction of the microgel solution by vacuum, the resulting so-called granular ink could be successfully printed via extrusion-based printing. The widely known challenge of printing living cells was also successfully managed. Cells were encapsulated in the microgels during microgel synthesis. Here, the stirring velocity had to be adjusted to avoid harming the cells during the manufacturing process. The cell-loaded microgels were successfully printed in the same way as the empty microgels in multiple layers resulting in dimensionally stable constructs. Live/dead experiments verified that many viable cells were printable after 24 hours. In the next part of this thesis, microgels were prepared from AGE-functionalized gelatin and thiol-functionalized PEG by the same procedure. Again, cells were incorporated and printed by extrusion-based printing. After the addition of hydroxypropyl-methylcellulose, the right conditions for viable cells and stable constructs were found. The printed constructs were further secondarily crosslinked by immersion in initiator solution after the printing process followed by re-irradiating with light. Hereafter, a strongly increased stability of the constructs could be observed. Microgels for use as cell sensor particles were produced as part of this thesis. Here, microfluidic was applied to prepare microgels with a monodisperse size distribution. After adjusting the oil phase, as well as optimizing the manufacturing parameters to the mucin hydrogel system, the microfluidic setup established by Ilona Paulus in this research group could be used. By setting very fast flow rates, microgels in the size range of cells could be obtained. Furthermore, various parameters affecting the stiffness of the particles were varied. This laid the foundation for follow-up studies within the framework of the SFB TRR225 to be able to produce cellmimicking particles. Further follow-up experiments could include the investigation of hydrogels being based only on mucin, like a crosslinking of thiolated mucin and mucin modified with an allyl function such as the PGM-AGE. Furthermore, the granular mucin ink could serve as a supporting material for other microgels or less stable inks during the printing process and thus expand the field of applicable materials for three dimensional (3D) printing. / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung von Hydrogelen unterschiedlicher Größe für verschiedene Anwendungen. So wurden makroskopische Bulk-Hydrogele aus verschieden modifiziertem Muzin aus dem Schweinemagen (engl. PGM) hergestellt, während Mikrogele aus PGM in Kombination mit Hyaluronsäure (engl. HA), sowie aus Gelatine in Kombination mit PEG, und Nanogele aus PG synthetisiert wurden. Jedes Hydrogel hat entsprechend seiner Größe andere Funktionalitäten und damit auch andere Anwendungsmöglichkeiten. Zunächst wurde untersucht, ob bereits bestehende Studien zur Herstellung von kovalent vernetzten Hydrogelen durch radikalische Polymerisation aus Muzin aus Rinderspeicheldrüsen (engl. BSM) auch mit der wesentlich günstigeren Alternative PGM durchgeführt werden können. Nachdem dies erfolgreich nachgewiesen wurde und die Hydrogele systematisch auf ihre mechanischen Eigenschaften sowie auf Biokompatibilität untersucht wurden, folgte die Etablierung eines weiteren Hydrogelsystems. Hierfür wurde PGM mit Allylglycidylether funktionalisiert und in Kombination mit thiylierter HA über die Thiol-En-Reaktion vernetzt. Auch diese Hydrogele wurden systematisch untersucht und mit den Hydrogelen, die über die freie radikalische Polymerisation hergestellt wurden, verglichen. Es konnte bestätigt werden, dass die mehr zufällig ablaufende, freie radikalische Polymerisation zu ungeordneteren Netzwerken führt als die Thiol- En Reaktion. In beiden Systemen konnte sowohl mit L929 CCL1 Mausfibroblaten sowie mit humanen mesenchymalen Stammzellen eine gute Biokompatibilität nachgewiesen werden. Mit diesem Wissen als Grundlage und dem Ziel, Muzin druckbar zu machen, wurden mit der zuvor etablierten Thiol-En-Hydrogel-Lösung Mikrogele über die Emulsionstechnik hergestellt. Hier war die Anwendung des zuvor verwendeten Photoinitiators Irgacure 2959, der in Öl löslicher ist als in Wasser, eine Herausforderung und führte nicht zu gut vernetzten Mikrogelen. Deshalb wurde ein drittes Hydrogelsystem etabliert, welches auf Thiol-En vernetzten PGMAGE- HASH Hydrogelen basierte, jedoch LAP als Photoinitiator verwendete. Hiermit konnten stabil vernetzte Mikrogele über die Emulsionsmethode hergestellt werden. Nach dem Jamming Prozess, dem Absaugen der Mikrogellösung über Vakuum, konnte die resultierende sogenannte granulare Tinte erfolgreich über den Extrusions-basierten Druckprozess gedruckt werden. Für die im Bereich der Biofabrikation nach wie vor bestehende Herausforderung, lebendige Zellen zu drucken, konnte ebenfalls erfolgreich ein Lösungsansatz geliefert werden. Zellen wurden während der Mikrogelsynthese in die Mikrogele eingekapselt. Hierbei musste die Rührgeschwindigkeit angepasst werden, um den Zellen während des Herstellungsprozesses nicht zu schaden. Die zellbeladenen Mikrogele konnten erfolgreich, in gleicher Weise wie die leeren Mikrogele, in mehreren Lagen zu formstabilen Konstrukten gedruckt werden. In einem weiteren Teil dieser Doktorarbeit wurden auf dem selben Wege Mikrogele aus AGEfunktionalisierter Gelatine und thiol-funktionalisiertem PEG hergestellt. Auch hier wurden Zellen eingekapselt und über den Extrusions-basierten Druckprozess gedruckt. Nach Zugabe vonHydroxypropylmethylcellulose waren die richtigen Bedingungen für lebensfähige Zellen und stabile Konstrukte gefunden. Des Weiteren wurden die gedruckten Konstrukte sekundär vernetzt, indem sie nach dem Druckprozess in die Initiatorlösung gegeben und erneut mit Licht bestrahlt wurden. Hiernach konnte eine stark erhöhte Stabilität der Konstrukte beobachtet werden. Für eine Anwendung als Zell-Sensor-Partikel, wurden in einem weiteren Teil dieser Arbeit ebenfalls Mikrogele synthetisiert. Hierfür war eine monodisperse Größenverteilung der Mikrogele notwendig, weshalb diese über Mikrofluidic hergestellt wurden. Nach Anpassung der Ölphase, sowie der Optimierung der Herstellungsparameter an das Muzin-Hydrogel-System, konnte der in dieser Arbeitsgruppe von Ilona Paulus etablierte Mikrofluidic-Aufbau genutzt werden. Durch die Verwendung von sehr schnellen Flussraten konnten Mikrogele in der Größenordnung von Zellen hergestellt werden. Darüber hinaus wurden verschiedene Parameter variiert, die die Festigkeit der Partikel beeinflussen. So wurde die Grundlage für Folgestudien im Rahmen des SFB TRR225 gelegt, um zell-imitierende Partikel herstellen zu können. Weitere an diese Arbeit anschließende Experimente könnten die Untersuchung von einem rein Muzin-basierten Hydrogel sein, wie beispielsweise eine Vernetzung von thioliertem Muzin und einem mit einer Allylfunktion modifiziertem Muzin, wie dem PGM-AGE. Darüber hinaus könnte die körnige Muzin-Tinte während des Druckvorgangs als Trägermaterial für andere Mikrogele oder weniger stabile Tinten dienen und damit das Feld der anwendbaren Materialien für den 3D-Druck erweitern.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:28755 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Brand, Jessica Sieglinde |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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