Tomášiková, Z. (2015). Hydrogels for tissue engineering [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/158416
Als Hydrogele bezeichnet man Wasser gequollene Netzwerke aus Wasser löslichen hydrophilen Polymeren. Da sie die extrazelluläre Matrix gut imitieren können, sind sie das Material der Wahl für viele biomedizinische Anwendungen in der Geweberekonstruktion (Tissue Engineering). Neben den mechanischen Eigenschaften, der poröse Struktur und einem hohen Wassergehalt, was in Kombination einen guten Transport von Nähr- und Abfallstoffe gewährleistet, bieten Hydrogele des Weiteren eine zellenfreundliche Umgebung dank ihrer Sauerstoffdurchlässigkeit. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften werden Hydrogele vor allem in Weichgewebe (Soft Tissue) Regeneration und/oder Ersatz wie zum Beispiel bei Haut oder Knorpel eingesetzt. Um die Adhäsion verschiedener Zelltypen zu ermöglichen, weisen unterschiedliche Gewebearten mannigfaltige 3D Substruktur auf. Aus diesem Grund sollen die künstlichen Gerüste benutzerdefinierte komplexe 3D Strukturen in hoher Auflösung und Präzision besitzen. Nicht viele Fertigungsmethoden werden solchen Ansprüchen von hoher Komplexität gerecht. Eine vielversprechende Technik wurde in der Zwei-Photonen Polymerisation gefunden. Dabei wird mit Hilfe eines Femtosekunden Nah-Infra-Rot Laser (fs NIR Laser) die Precursorformulierung photopolymerisiert und somit eine 3D Hydrogelstruktur geformt. Für diese Zwecke sind photopolymerisierbare und reaktive Precursoren, wie zum Beispiel Acrylat-basierte Monomere, unabdingbar. Diese sind aber oft reizend oder sogar zytotoxisch. Das Ziel dieser Arbeit war die Optimierung und Upscaling der Synthese von photopolymerisierbaren Precursoren, die auf den Wasser löslichen Hyaluronsäure (HA) basieren. HA, ein lineares Polysacharid und essentielle Komponente der extrazellulären Matrix, wurde in einer enzymatischen Umesterungsreaktion mit Divinyladipat modifiziert. Das entstandene Produkt, Hyaluronsäure Vinylester (HAVE) zeigt bessere Resultate für die Biokompatibilität im Vergleich zu den entsprechenden Acrylatverbindungen. Mit Hilfe von Photorheologiemessungen konnten der Einfluss von Makromergehalt, Substitutionsgrad sowie Makromergröße auf den Speichermodul der Hydrogele sowie die Reaktivität der Precursorformulierung untersucht werden. Die suboptimale Reaktivität von HAVE im Vergleich zu Acrylaten konnte mit Hilfe von Thiolen erfolgreich verbessert werden. Einstellbare Vernetzungsdichten aufgrund verschiedener Substitutionsgrade ermöglichen die Herstellung maßgefertigten Hydrogelen mit regulierbaren mechanischen Eigenschaften. Das Quellverhalten der Hydrogele wurde untersucht und mit Acrylat-basierten Referenzen verglichen. Des Weiteren wurde die Zytotoxizität in der Lösung untersucht. Schlussendlich wurden HAVE Formulierungen erfolgreich für die Einkapsulierung von Zellen mit Zwei-Photonen Polymerisation benutzt. Außerdem konnte die Brauchbarkeit von HAVE für zwei weitere Anwendungen, und zwar als Gewebekleber (tissue adhesive) sowie in Mikrofluid-Chip getestet werden.
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Hydrogels are water-swollen networks of cross-linked hydrophilic polymers. They have become the material of choice for many biomedical applications in tissue engineering due to their properties in mimicking extracellular matrix. Beside the mechanical properties, the porous structure and high content of water enabling transport of nutrients and waste, they also provide cell friendly environment thanks to oxygen permeability. Due to their mechanical properties hydrogels are especially applied in soft tissue regeneration and/or replacement such as skin or cartilage repair. Since different tissues require different 3D substructures for cell adhesion, user-defined complex 3D scaffolds with a high resolution and accuracy are needed. Only a few fabrication methods can meet these requirements of high complexity. However a very promising technique was found in two-photon polymerization (2PP) where the utilization of a pulsed femtosecond near infra-red (NIR) laser enables photopolymerization of the precursors and formation of (hydro-)gels. For this purpose photopolymerizable and reactive precursors such as acrylates are necessary. Unfortunately acrylates often act irritant or cytotoxic. In this thesis the synthesis of novel photopolymerizable precursors based on water soluble hyaluronic acid (HA) was optimized. HA, a linear polysaccharide and an essential component of the extra cellular matrix, was modified by enzymatic transesterification using divinyl adipate. The synthesized products, hyaluronic acid vinyl esters (HAVE), show better performance in terms of biocompatibility compared to their acrylic counterparts. Photorheology measurements were performed in order to investigate the effects of macromere content, degree of substitution, and macromere size on storage modulus and reaction velocity. The suboptimal reactivity of the HAVE in comparison to acrylates can be increased using thiols and the advantages of thiol-ene chemistry. Adjustable crosslinking densities due to different degree of substitution allow fabrication of custom made hydrogels with tunable mechanical properties. Swelling behavior of the hydrogels were also tested and compared to the acrylate based references. Furthermore, their cytotoxicity in solution was investigated. Finally, HAVE formulations were successfully used to encapsulate cells by two photon polymerization, as well as two further potential applications were tested.
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