Biological hydrogels such as collagen and gelatin are highly attractive materials for tissue engineering and biomedicine. Due to their excellent biocompatibility and biodegradability, they represent promising candidates in regenerative medicine, cell culture, tissue replacement and wound dressing applications. Thereby, precisely tuned material properties are indispensable for customization. High-energy electron-treatment is a highly favourable crosslinking technique to tailor the material properties. In five sub-projects, this thesis investigates the potential of high-energy electron-treatment to precisely modify collagen hydrogels, to develop thermo- as well as hydration-sensitive systems and functional surfaces from gelatin for biomedical applications. The first sub-project focusses on the modification of collagen hydrogels by electron-induced crosslinking with potential application as biomimetic extracellular matrix material. Thereby, it is shown that the material properties can be precisely tailored by adapting electron-induced crosslinking while high cytocompatibility is maintained. Within the second sub-project, an electron-crosslinking-induced shape-memory effect in gelatin is described in order to develop a thermo-responsive system. The effect is described experimentally as well as theoretically to demonstrate the fundamental physical processes. The third sub-project develops an electroncrosslinked hydration-sensitive gelatin system. The work discusses how swelling of electroncrosslinked gelatin is influenced by the pH-value and salt concentration of the swelling liquid. Thereby, response of the hydration-sensitive gelatin system can be further modified towards biological actuatoric systems. The fourth sub-project develops a two-step process to mechanically pattern gelatin surfaces. Within the first step, thin gelatin surfaces are mechanically patterned by a highly focussed electron beam. In a second step, they are stabilized by homogeneous electron-crosslinking for applications at physiological conditions. Another method to develop functional gelatin surfaces is described in the last sub-project. Here, gelatin is topographically patterned via a moulding technique. The resulting micro-structures are then stabilized via electron-crosslinking. In addition, the presented work investigates pattern transfer, long time stability at physiological conditions as well as cytocompatibility.:1 Introduction and Objective
1.1 Biomimetic ECM Models
1.2 Stimuli-Responsive Hydrogels
1.3 Functional Hydrogel Surfaces
2 General Background
2.1 Hydrogels
2.1.1 Collagen
2.1.2 Gelatin
2.2 Polymer Crosslinking
2.2.1 High-Energy Electron-Treatment of Polymers
2.2.2 Electron-Irradiation-Induced Crosslinking of Gelatin
2.3 High-Energy Electron Accelerator
3 Cumulative Part
3.1 High-Energy Electron-Induced Modification of Collagen
3.2 Thermo-Responsive Gelatin System
3.3 Hydration-Responsive Gelatin System
3.4 Mechanically Patterned Gelatin Surfaces
3.5 Topographically Patterned Gelatin Surfaces
4 Summary and Conclusion
5 Outlook
Bibliography
Author Contributions
List of Abbreviations
List of Figures
Acknowledgements
Scientific Curriculum Vitae
Publication List
Selbstständigkeitserklärung / Biologische Hydrogele wie Kollagen und Gelatine sind wichtige Materialien vor allem in biomedizinischen Anwendungsbereichen. Durch deren exzellente Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit werden sie vor allem bei der Züchtung von biomimetischem Gewebe, in der Zellkultur, als Gewebeersatz in der regenerativen Medizin oder auch als Wundverband eingesetzt. In der Verwendung solcher Materialien besteht eine wesentliche Herausforderung darin, deren Eigenschaften so präzise wie möglich einzustellen, um speziell angepasste Substrate und Gewebe entwickeln zu können. Eine äußerst vorteilhafte Methode zu Adaptierung der Materialeigenschaften ist die elektronenstrahlbasierte Vernetzung, die auf die Verwendung zusätzlicher chemischer Vernetzer verzichtet. Die vorgelegte Arbeit untersucht in fünf Teilprojekten das Potential von Elektronenstrahlvernetzung zur Modifizierung von Kollagen- sowie Gelatinehydrogelen für biomedizinische Anwendungen.
Das erste Teilprojekt fokussiert sich auf die Auswirkungen hochenergetischer Elektronen auf Kollagenhydrogele und deren Eigenschaften für potentielle Anwendungen als biomimetisches Modell der extrazellulären Matrix. Dabei wird gezeigt, dass sich die Materialeigenschaften in Abhängigkeit der Elektronenbestrahlung präzise einstellen lassen und dass diese Gele eine hohe Zellkompatibilität aufweisen. Das zweite Teilprojekt beschreibt den Effekt des thermischen Formgedächtnisses in Gelatine nach Elektronenstrahlvernetzung und dessen Potential für die Entwicklung biologischer Aktuatoren. Die Effizienz des Formgedächtniseffekts wird in diesem Teilprojekt ausführlich theoretisch beschrieben und mit experimentellen Untersuchungen an Gelatine verglichen. Im dritten Teilprojekt wird ein elektronenstrahlvernetztes, hydrations-responsives Gelatinesystem beschrieben. Zusätzlich wird der Einfluss von pH-Wert und Salzkonzentration der Quelllösung auf das Quellen von elektronenstrahlvernetzter Gelatine untersucht um das Reaktionsverhalten noch präziser einstellen zu können. Das vierte Teilprojekt beschreibt einen Zwei-Schritt-Prozess, bei dem dünne Gelatineschichten mittels hochenergetischer Elektronen mechanisch funktionalisiert werden können. Dabei wird in einem ersten Schritt die Oberfläche durch hoch fokussierte Elektronen mechanisch strukturiert, um im zweiten Schritt mittels homogener Elektronenstrahlvernetzung für die Anwendung unter physiologischen Bedingungen stabilisiert zu werden. Eine weitere Methode zur Funktionalisierung der Oberfläche von Gelatinehydrogelen wird im letzten Teilprojekt dieser Arbeit dokumentiert. Dabei werden topographische Mikrostrukturen auf Gelatineoberflächen aufgebracht und mittels Elektronenstrahlvernetzung stabilisiert. Dieses Teilprojekt untersucht zusätzlich den Strukturtransfer, die Langzeitstabilität unter physiologischen Bedingungen sowie die Zellkompatibilität.:1 Introduction and Objective
1.1 Biomimetic ECM Models
1.2 Stimuli-Responsive Hydrogels
1.3 Functional Hydrogel Surfaces
2 General Background
2.1 Hydrogels
2.1.1 Collagen
2.1.2 Gelatin
2.2 Polymer Crosslinking
2.2.1 High-Energy Electron-Treatment of Polymers
2.2.2 Electron-Irradiation-Induced Crosslinking of Gelatin
2.3 High-Energy Electron Accelerator
3 Cumulative Part
3.1 High-Energy Electron-Induced Modification of Collagen
3.2 Thermo-Responsive Gelatin System
3.3 Hydration-Responsive Gelatin System
3.4 Mechanically Patterned Gelatin Surfaces
3.5 Topographically Patterned Gelatin Surfaces
4 Summary and Conclusion
5 Outlook
Bibliography
Author Contributions
List of Abbreviations
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Acknowledgements
Scientific Curriculum Vitae
Publication List
Selbstständigkeitserklärung
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:35460 |
| Date | 23 September 2019 |
| Creators | Riedel, Stefanie |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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