Was vor einigen Jahren undenkbar erschien, könnte zukünftig möglich sein: Krankes Gewebe mit Gesundem ersetzen, das in vitro mit modernsten Biofabrikationstechniken hergestellt wird. Dabei werden bisherige Grenzen überschritten: Während lichtbasierte Biodruckverfahren wie die Zwei-Photonen-Polymerisation Auflösungen bis in den Nanometerbereich erzielen, ermöglicht der Volumetrische Biodruck (VB) den Druck zentimetergroßer Konstrukte in wenigen Sekunden. Diese Geschwindigkeiten erweisen sich unter Biodruckverfahren als konkurrenzlos und werden erreicht, da das Bioharz nicht konsekutiv, sondern zugleich vernetzt wird. Einschränkend gilt bislang nur der Mangel an geeigneten Bioharzen für den VB. Daher beschäftigt sich vorliegende Arbeit mit der Charakterisierung und Modifikation eines dafür geeigneten Bioharzes: Gelatine-Methacrylat (GelMA). Dank seiner Zusammensetzung ähnelt das etablierte Hydrogelsystem der Extratrazellularmatrix: Der Gelatine-Anteil ermöglicht Biokompatibilität und Bioaktivität durch zelladhäsive sowie degradierbare Aminosäure-Sequenzen. Zugleich können durch photovernetzbare Methacryloyl-Substituenten Konstrukte mit einer Formstabilität bei 37 °C erzeugt werden.
Zunächst wurde das Bioharz zellbiologisch charakterisiert, indem mit der embryonalen Mausfibroblasten-Zelllinie NIH-3T3 beladene GelMA-Zylinder gegossen, photopolymerisiert und kultiviert wurden. Im Verlauf einer Woche wurde die Zytokompatibilität der Gele anhand der Proliferationsfähigkeit (PicoGreen-Assay), des Metabolismus (CCK-8-Assay) und der Vitalität (Live/Dead-Assay) der Zellen beurteilt. Dabei wurden Polymerkonzentrationen von 6 – 8 % sowie GelMA-Harze zweier verschiedener Molekulargewichte verglichen. Alle hergestellten Gele erwiesen sich als zytokompatibel, 6 % ige Gele ließen im Inneren jedoch zusätzlich eine beginnende Zellspreizung zu und ein niedriges GelMA-Molekulargewicht verstärkte die gemessene Proliferation. Die sich anschließende mechanische und physikalische Charakterisierung belegte, dass höher konzentrierte Gele einen größeren E-Modul aufwiesen und damit steifer waren. Eine Modifikation der Gele mit Fibronektin beeinflusste die Zellverträglichkeit weder positiv noch negativ und die Zugabe von Kollagen war wegen Entmischungseffekten nicht bewertbar. Es liegt die Vermutung nah, dass eine weitere Reduktion der Polymerkonzentration und damit Verringerung der Gelsteifigkeit der Schlüssel für mehr Zellspreizung und -wachstum ist. Da jedoch die Druckbarkeit des Bioharzes die weitere Senkung des GelMA-Gehalts limitiert, sollten zunächst Methoden entwickelt werden, welche die Netzwerkdichte des GelMAs anderweitig herabsetzen. / What seemed unthinkable a few years ago could be possible in the future: replacing diseased tissue with healthy tissue produced in vitro using the latest biofabrication techniques. Previous limits are being exceeded: While light-based bioprinting processes such as two-photon polymerization achieve resolutions down to the nanometer range, volumetric bioprinting (VB) makes it possible to print centimeter-sized constructs in just a few seconds. These speeds are unrivaled among bioprinting processes and are achieved because the bioresin is not cross-linked consecutively but simultaneously. The only limitation to date is the lack of suitable bioresins for VB. Therefore, the present work deals with the characterization and modification of a suitable bioresin: gelatine methacrylate (GelMA). Thanks to its composition, the established hydrogel system is similar to the extracellular matrix: The gelatine component enables biocompatibility and bioactivity through cell-adhesive as well as degradable amino acid sequences. At the same time, photo-crosslinkable methacryloyl substituents can be used to produce constructs with dimensional stability at 37 °C.
First, the bioresin was characterized cell biologically by casting, photopolymerizing and culturing GelMA cylinders loaded with the embryonic mouse fibroblast cell line NIH-3T3. Over the course of a week, the cytocompatibility of the gels was assessed based on proliferation capacity (PicoGreen assay), metabolism (CCK-8 assay) and viability (Live/Dead assay) of the cells. Polymer concentrations of 6 - 8 % and GelMA resins of two different molecular weights were compared. All gels produced were found to be cytocompatible, however, 6 % gels additionally allowed incipient cell spreading inside and a low GelMA molecular weight increased the measured proliferation. The subsequent mechanical and physical characterization showed that gels with higher concentration had a higher modulus of elasticity and were therefore stiffer. Modifications of the gels with fibronectin had neither a positive nor negative effect on cell compatibility and the addition of collagen could not be evaluated due to segregation effects. It is reasonable to assume that further reduction in polymer concentration and thus a reduction in gel stiffness is the key to more cell spreading and growth. However, since the printability of the bioresin limits further reduction of the GelMA content, methods should first be developed to reduce the network density of the GelMA in other ways.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:34946 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Witteler, Charlotte Marie |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| 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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