3D Structuring of biocompatible hydrogels by means of 2-photon polymerization

Abstract

2-Photon Polymerisation (2PP) ist eine hochauflösende 3D-Druck Technologie, basierend auf der Interaktion von ultrakurzen Laserpulsen mit speziellen photosensitiven Materialien. Aufgrund der nichtlinearen Natur des 2-Photon Absorptionsprozesses kann eine räumliche Auflösung im sub-mikrometer Bereich erzielt werden. Biomedizinische Anwendungen von 2PP sind von besonderem Interesse, da die Technologie es ermöglicht Mikrostrukturen aus verschiedenen Gewebetypen zu produzieren. In dieser Hinsicht erweisen sich Hydrogele als besonders attraktive Materialklasse, da sie es ermöglichen Strukturen in der Gegenwart von lebenden Zellen zu produzieren. Das Ziel dieser Arbeit war es eine neuartige Klasse von auf Gelatine und Hyaluronsäure basierenden Materialen für 2PP zu etablieren und ihre Zusammensetzung, als auch ihre Verarbeitungsparameter zu optimieren um eine hohe Durchsatzrate zu ermöglichen. Die Zusammenstellung wurde im Weiteren auf ihre Tauglichkeit für die Produktion von hochauflösenden 3D Strukturen in der Gegenwart von lebenden Zellen getestet. Die Analyse von 3D Hydrogelstrukturen wird hauptsächlich durch optische und Laser-Scanning-Mikroskope bewerkstelligt. Informationen über die mechanischen Eigenschaften der mit 2PP produzierten Konstrukte, wurden durch die Analyse des Aufquellverhaltens gewonnen. Diese Methode wurde unter der Zuhilfenahme von automatischer Bilderkennung optimiert.

2-Photon polymerization (2PP) is a high-resolution 3D printing technology relying on the interaction of ultra-short laser pulses with specialized photosensitive materials. Due to the nonlinear nature of the 2-Photon absorption process spatial resolution in the sub-micrometer range can be achieved. Biomedical applications of 2PP are of particular interest, since this technology is capable of reproducing the microstructure of different tissue types. In this regard, hydrogels represent an especially attractive class of materials, since they potentially allow to produce 3D constructs in the presence of living cells. The aim of this work is to establish a novel class of gelatin- and hyaluronic acid-based materials for 2PP and optimize their composition as well as processing parameters in order to enable high-throughput fabrication. The formulations will be further tested for their suitability to produce high-resolution 3D structures in the presence of living cells. The main analysis tools for 3D hydrogel structures are optical and laser scanning microscopy. A method to gain information about the mechanical properties of 2PP-produced constructs by the analysis of their swelling behavior was optimized by the use of image recognition.