Biofabrication of Alginate-Based Hydrogel Constructs and Hybrid Scaffold Structures for Tissue Engineering

Biofabrikation von Hydrogelkonstrukten auf Basis von Alginat und hybriden Gerüststrukturen für die Gewebezüchtung

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-87434
  • Biofabrication encompasses the use of additive manufacturing (AM) techniques, biomaterials (hydrogels), cells and bioactive substances for tissue engineering or as 3D tissue models for drug-screening studies or for tumor research. Characteristic for biofabrication approaches is the exploitation of the freedom of design provided by AM techniques enabling the fabrication of defined, complex 3D structures together with the processing of hydrogel/cell mixtures, so called bioinks. This approach enables the defined positioning of different cell types and biomaterials in predefined positions of a construct and thus biofabrication appears as an important novel technology in the general field ofBiofabrication encompasses the use of additive manufacturing (AM) techniques, biomaterials (hydrogels), cells and bioactive substances for tissue engineering or as 3D tissue models for drug-screening studies or for tumor research. Characteristic for biofabrication approaches is the exploitation of the freedom of design provided by AM techniques enabling the fabrication of defined, complex 3D structures together with the processing of hydrogel/cell mixtures, so called bioinks. This approach enables the defined positioning of different cell types and biomaterials in predefined positions of a construct and thus biofabrication appears as an important novel technology in the general field of tissue engineering and for investigating tumour development in 3D matrices. In the present work, a biofabrication approach has been established using bioplotting and fused deposition modelling for the fabrication of 3D structures from a crosslinked hydrogel, termed ADA-GEL, based on alginate di-aldehyde (ADA) gelatine (GEL) crosslinked hydrogel (ADA-GEL) together with different bone tissue related cell types. It was shown that the ADA-GEL hydrogel is compatible with the bioplotting technique. Different parameters of the bioplotting process, namely speed, pressure and needle diameter were assessed regarding their interactions, their influence on the geometry of the created structure as well as on the viability of the immobilised cells in the bioink. In this way, a process chain was established which enables the fabrication of bioplotted ADA-GEL constructs with defined geometry. Moreover, the degradation behaviour and the mechanical properties of different modifications of the ADA-GEL system were evaluated. The stock solution concentrations of ADA and GEL as well as the molecular weight of the ADA-component were varied. It was revealed that ADA-GEL hydrogel degraded by the release of GEL and that the stiffness of the constructs decreased with ongoing incubation time depending on the used composition. Based on these results different cell types were used together with ADA-GEL as bioink and the cell development in bioplotted ADA-GEL constructs was assessed over incubation times of several weeks. MG-63 osteoblast like cells were used and it was shown that MG-63 cells proliferated in ADA-GEL constructs and covered the whole structure after 28 days of incubation. Furthermore, bone marrow derived stromal cells ST2 were used as a cell model and it was shown that proliferation of ST2 cells could be dictated by the molecular weight of the ADA component and the stock solution concentrations of ADA and GEL. An elevated degradation of the ADA-GEL matrix showed faster cell proliferation. In a further approach, a co-culture of ST2 and osteoclast progenitor cells RAW 264.7 was used in an ADA-GEL modification with similar mechanical properties as the unmineralised osteoid bone phase. In this set-up, the interaction of the cell types in comparison to single cultures was investigated, revealing increased osteopontin expression and release of vascular endothelial growth factor (VEGF) in the co-culture group. A sequential bioplotting process was used to create hybrid structures to overcome the limited mechanical properties of the ADA-GEL regarding application in bone tissue engineering. The hybrid constructs consist of ADA-GEL with immobilised ST2 cells and a phase of polycaprolactone/polyethyleneglycol (PCL/PEG) blend, which showed superior properties regarding ST2 cell adhesion in comparison to pure PCL. The PCL/PEG phase acts as a support structure in the hybrid constructs and so enhances the mechanical properties in comparison to the pure hydrogel phase to a range, which is comparable with natural bone. Altogether, the ADA-GEL hydrogel system is a very promising material for use in biofabrication.show moreshow less
  • Bei der Biofabrikation kommen Generative Fertigungsverfahren, Biomaterialien (Hydrogele), Zellen und Wachstumsfaktoren zur Züchtung von Geweben, zur Herstellung von 3D Gewebemodellen für die Untersuchung von Wirkstoffen oder für die Tumorforschung zum Einsatz. Kennzeichnend für die Biofabrikation ist die Nutzung der Flexibilität, welche die Generativen Fertigungsverfahren hinsichtlich der Gestaltung bieten. Dadurch wird die Herstellung von komplexen 3-dimensionalen (3D) Strukturen ermöglicht, wobei Mischungen aus Hydrogelen und Zellen, sogenannte Biotinten als Prozessmaterial angewendet werden. Dieser Ansatz ermöglicht die kontrollierte Positionierung von verschiedenen Zellarten undBei der Biofabrikation kommen Generative Fertigungsverfahren, Biomaterialien (Hydrogele), Zellen und Wachstumsfaktoren zur Züchtung von Geweben, zur Herstellung von 3D Gewebemodellen für die Untersuchung von Wirkstoffen oder für die Tumorforschung zum Einsatz. Kennzeichnend für die Biofabrikation ist die Nutzung der Flexibilität, welche die Generativen Fertigungsverfahren hinsichtlich der Gestaltung bieten. Dadurch wird die Herstellung von komplexen 3-dimensionalen (3D) Strukturen ermöglicht, wobei Mischungen aus Hydrogelen und Zellen, sogenannte Biotinten als Prozessmaterial angewendet werden. Dieser Ansatz ermöglicht die kontrollierte Positionierung von verschiedenen Zellarten und Materialien in vordefinierten Positionen eines Konstrukts und daher erscheint die Biofabrikation als eine bedeutsame, neuartige Technologie für das Forschungsfeld der Gewebezüchtung sowie für die Erforschung der Tumorentwicklung in einer 3D Matrix. In der vorliegenden Arbeit wird ein Biofabrikationsprozess angewendet, welcher auf der Nutzung des Bioplottingverfahrens und der Technik des Fused Deposition Modellings zur Herstellung von 3D Konstrukten aus einem vernetzten Hydrogel, genannt ADA-GEL, zusammen mit verschiedenen für das Knochengewebe relevanten Zelltypen beruht. ADA-GEL Hydrogel basiert auf Alginat Dialdehyd (ADA) und Gelatine (GEL). Es konnte gezeigt werden, dass das ADA-GEL Hydrogel für den Einsatz im Bioplottingverfahren geeignet ist. Verschiedene Parameter des Bioplottingverfahrens, wie Geschwindigkeit, Druck und Nadeldurchmesser wurden hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen, ihres Einflusses auf die Geometrie des erzeugten Konstruktes sowie auf die Vitalität der in der Biotinte immobilisierten Zellen untersucht. Auf diese Weise wurde eine Prozesskette etabliert, welche die Fabrikation von ADA-GEL Konstrukten mit definierter Geometrie unter Einsatz des Bioplottingverfahrens ermöglicht. Ferner wurden das Abbauverhalten und die mechanischen Eigenschaften verschiedener Modifikationen des ADA-GEL Hydrogels untersucht. Die Konzentration der ADA und GEL Stammlösungen sowie das Molekulargewicht des ADAs wurden variiert. Es wurde gezeigt, dass ADA-GEL unter Freisetzung von GEL degradiert und die Steifigkeit der Konstrukte mit zunehmender Inkubationszeit abnimmt, wobei dies von der ADA-GEL Modifikation abhängig ist. Basierend auf diesen Untersuchungen wurden verschiedene Zellarten zusammen mit ADA-GEL als Biotinten verwendet und die Zellentwicklung in den geplotteten ADA-GEL Konstrukten über Inkubationszeiten von mehreren Wochen untersucht. Osteoblasten ähnliche MG-63 Zellen wurden eingesetzt und es konnte gezeigt werden, dass MG-63 Zellen in den ADA-GEL Konstrukten proliferierten und nach einer Inkubationszeit von 28 Tagen die gesamte Struktur bedeckten. Des Weiteren wurden Stromazellen des Knochenmarks ST2 als Zellmodell verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass die Proliferation der ST2 Zellen in Abhängigkeit des Molekulargewichts des ADAs und den Konzentrationen der Stammlösungen des ADAs und der GEL gesteuert werden konnte. Hierbei zeigten ADA-GEL Modifikationen mit einer höheren Abbaurate eine erhöhte Zellproliferation. Die ST2 Zellen wurden mit Osteoklasten Vorläuferzellen RAW 264.7 in einer Kokultur in ADA-GEL Konstrukten mit einer ähnlichen Steifigkeit wie sie die nicht mineralisierte Knochenmatrix, das so genannte Osteoid aufweist, kultiviert. Mittels dieses Aufbaus wurden Zellinteraktionen im Vergleich zu einzeln kultivierten Gruppen der beiden Zelltypen evaluiert, wobei deutlich wurde, dass in der Kokulturgruppe die Expression von Osteopontin sowie die Freisetzung des angiogenen Signalmoleküls VEGF erhöht war. Um die limitierten mechanischen Eigenschaften des ADA-GELs hinsichtlich dessen Verwendung in der Knochengewebezüchtung auszugleichen, wurde ein sequentielles Bioplottingverfahren eingesetzt um Hybridstrukturen zu erzeugen. Diese Hybridstrukturen bestehen aus ADA-GEL mit immobilisierten ST2 Zellen und einem Polycaprolacton/Polyethylenglycol (PCL/PEG) Blendmaterial, welches vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der Zelladhäsion im Vergleich zu PCL zeigte. Die PCL/PEG Phase dient in den Hybridkonstrukten als Unterstützungsstruktur und erhöht so deren mechanische Eigenschaften im Vergleich zur reinen Hydrogelphase, sodass diese in einem vergleichbaren Bereich wie natürlicher Knochen liegen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass das ADA-GEL Hydrogelsystem ein sehr vielsprechendes Material für die Anwendung in der Biofabrikation ist.show moreshow less

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Metadaten
Author:Tobias Zehnder
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-87434
Referee:Aldo R. Boccaccini
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2017
Date of online publication (Embargo Date):2017/09/06
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2017/07/28
Release Date:2017/09/15
Tag:Biofabrication; Cell printing
SWD-Keyword:Alginate; Gelatine; 3D Printing; Hydrogel; Tissue Engineering
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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