Fertigung von Scaffolds aus Biophotoelastomeren mittels Zweiphotonenpolymerisation

Abstract

Tissue Engineering (TE) ist ein innovativer und vielversprechender Ansatz in der Regenerativen Medizin und bietet neue Behandlungsmethoden für Patienten, mit schwer, oder nicht heilbaren Organ- und Gewebeschäden. Die primäre Herausforderung für Ingenieure innerhalb dieses recht interdisziplinären Feldes ist die Fertigung von dreidimensionalen Strukturen, sogenannten Scaffolds, um eine geeignete Mikroumgebung für die Kultivierung der Zellen und des entsprechenden Gewebes zu schaffen. Ziel dieser Arbeit ist die Fertigung solcher Scaffolds unter Verwendung eines speziellen Fertigungsverfahrens, der Zweiphotonenpolymerisation (2PP), das auf der Interaktion von nah-infrarotem Licht (NIR) und einem photosensitiven Material basiert. Den kritischen Aspekt im Zuge dieser Arbeit stellt das verwendete Material dar, welches kürzlich am Institut für Angewandte Synthese Chemie auf der Technischen Universität Wien entwickelt wurde und hier erstmals im Zusammenhang mit 2PP angewandt wird. Dieses Material ist biokompatibel und biodegradierbar, photosensitiv auf die Wellenlänge von NIR Licht und weist einige spezielle mechanische Eigenschaften auf, wie hohe Bruchdehnung und einen niedrigen Elastizitätsmodul. Entsprechend dieser Eigenschaften wird dieses Material als Biophotoelastomer bezeichnet. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Probleme hinsichtlich Mischung der Materialkomponenten behandelt, um ein reproduzierbares Protokoll für diesen Prozess zu entwickeln und anschließend die Maschinenparameter optimiert, um präzise Strukturen unter minimierten Prozesszeiten fertigen zu können. Unter Verwendung der Ergebnisse aus Teil 1 werden im zweiten Teil schließlich Scaffolds für spezifische Anwendungen designt und gefertigt. Dies geschieht im Zuge von Projekten in Kooperation mit Biologen der Faculty of Bio-Medical Engineering am Technion-Israel Institute of Technology in Haifa und dem Ludwig Boltzmann Institut fürTraumatologie

Tissue Engineering (TE) is an innovative and promising approach in regenerative medicine and provides new methods of treatment for patients, who suffer from poorly curable tissue and organ damages.<br />Transplantation, of in vitro cultivated autologous cell and tissue compounds to these damaged areas, can be considered as the basic idea of TE and its concepts of treatment. The main challenge for engineers, within this fairly interdisciplinary field, is the fabrication of 3D structures, so called scaffolds, emerging from the need for an adequate microenvironment for the cell cultures and the according tissue. The aim within this work, is the fabrication of such scaffolds, using a special fabrication technique, called Two-Photon Polymerization (2PP), which is based on the interaction between near infrared (NIR) light and a photosensitve material. However, the critical aspect in the course of this examinations, poses the Material, which has recently been developed at the Institute of Applied Synthetic Chemistry at the Vienna University of Technology and has never been used for this application before. This material is biocompatible and biodegradable, photosensitive at the wavelength of NIR light and features several specific mechanical properties, such as high elongation at break and low Young's modulus.<br />According to these properties this material is referred to as a Biophotoelastomer.<br />The first part of this work deals with problems, regarding the mixture of the material components, in order to prepare a reproducible protocol for this procedure, followed by optimization of the settings for the 2PP machine, to achieve precisely shaped structures at a minimized process time. Using the results form part one, finally several scaffolds for specific TE applications are being designed and produced. This is done, in the course of projects in cooperation with biologists at the Faculty of Bio-Medical Engineering at the Technion-Israel Institute of Technology in Haifa and the Ludwig Bolzmann Institiute of Traumatology in Vienna.