Evaluation of multi-photon induced grafting and cleaving as methods to spatially guide cell migration in gelatin-based hydrogels

Abstract

Hydrogele können die Rolle der extrazellulären Matrix übernehmen und dadurch Interaktionen zwischen den Zellen untereinander und den Zellen und der Matrix ermöglichen. Fortschritte in verschiedenen Biofabrikationstechniken erleichtern die Herstellung biomimetischer Materialien mit speziellen biochemischen und biophysikalischen Eigenschaften .Ebenso wichtig wie die Feinabstimmung des gesamten Hydrogels ist die Schaffung einer individuellen Mikroumgebung, in der sich die Zellen befinden. Zu diesem Zweck ist die Multi-Photonen-Lithographie ein vielversprechendes Werkzeug, das die Modifizierungtransparenter, zellbeladener Hydrogele mit einer Auflösung im Mikrometerbereich in einer beliebigen dreidimensionalen Art und Weise ermöglicht. Ziel dieser Arbeit war es, zwei auf der Multi-Photonen-Lithographie basierende Methoden, nämlich das Photografting und das Photocleaving, auf ihr Potenzial zu analysieren, eine gerichtete Zellmigration und anschließend eine gerichtete Endothelzellensprossung zu induzieren. Das Multi-Photonen-induzierte Photografting ist ein universelles Verfahren, das auf jedes Hydrogel angewendet werden kann, ohne dass spezifische funktionelle Gruppen erforderlich sind. Es bezieht sich auf die lokale kovalente Bindung eines Moleküls an eine Polymerketteinfolge einer Multi-Photonen-Absorption. Bei der Multiphotonen-induzierten Photospaltung werden Crosslinker verwendet, die photospaltbare Anteile enthalten, wodurch der Vernetzungsprozess infolge einer Multiphotonen-Absorption lokal umgekehrt werden kann. Durch Hinzufügen eines Mehrphotonen-Sensibilisators kann die Reaktionsschwelle auf zytokompatible Laserleistungen herabgesetzt werden. In einem ersten Schritt wurden verschiedene gelatine-basierte Hydrogele ausgewählt und die Zytokompatibilität der jeweiligen Materialien bewertet. Für die vielversprechendste Kombination, das Photograftingin Gelatine-Methacryloyl, wurden verschiedene Parameter auf ihr Potential zur Verbesserung der induzierten Richtungsabhängigkeit der Zellmigration getestet.

Hydrogels can assume the role of the extra cellular matrix and enable cell-to-cell and cell-to-matrix interactions. Advances in various biofabrication techniques are facilitating the creation of biomimetic materials with distinct biochemical and biophysical characteristics. As important as the fine-tuning of the hydrogel as a whole is the creation of an individual microenvironment within which the cells reside. To that end, multi-photon lithography is a promising tool that enables the modification of transparent cell-laden hydrogels at a micrometer resolution in an arbitrary three-dimensional manner. The aim of this thesis was to analyze two multi-photon lithography-based methods, namely photografting and photocleaving, for their potential to induce directional cell migration and subsequently directional endothelial sprouting. Multi-photon induced photografting is a universal technique that can be applied to any hydrogel without the requirement of specific functional groups. It refers to the local immobilization of a molecule on the backbone of a polymer upon multi-photon absorption. Multi-photon induced photocleaving utilizes crosslinkers that are containing photocleavable moieties, which allows to locally reverse the crosslinking process upon multi-photon absorption. By adding a multi-photon sensitizer the cleaving threshold can be decreased to cytocompatible laser powers. In a first step, different gelatin-based hydrogels have been selected and the cytocompatability of the respective materials has been assessed. For the most promising combination, which was photocleaving in gelatin methacryloyl, various parameters have been tested for their potential to enhance the induced directionality of cell migration.