Title: Fabrication of bioactive macro-size scaffolds using multiphoton polymerization for Tissue Engineering Applications
Language: English
Authors: Baumgartner, Theresia 
Qualification level: Diploma
Advisor: Ovsianikov, Aleksandr  
Assisting Advisor: Guillaume, Olivier  
Issue Date: 2021
Number of Pages: 50
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Zwei-Photonen Polymerisation (2PP) ist eine vielversprechende additive Fertigungsmethode, die es ermöglicht, komplexe Strukturen zu erstellen. Um die gewünschten Ergebnisse zu erreichen, müssen die Strukturparameter an das angewendete Material und Design angepasst werden. Der wichtigste Vorteil von 2PP im Vergleich zu anderen additiven Fertigungstechniken ist, dass Auflösungen im Submikrometerbereich erreicht werden können. Der Nachteil von 2PP ist jedoch die längere Herstellungszeit, insbesondere bei größeren Strukturen. Ein wachsendes Interessengebiet für 2PP ist „Tissue Engineering“, da durch die Herstellung komplexer Strukturen und den Einsatz neuer Materialien kommt es vermehrt in der Entwicklung biomedizinischer Anwendungen zum Einsatz. Das Ziel dieser Arbeit war es, eine stabile und bioaktive makrogroße Struktur mittels 2PP zu entwerfen, zu drucken und zu entwickeln. Dabei wurde ein neuartiges Material namens hexa-acrylate end-capped urethanbasiertes Poly-ε-Caprolacton (UPCL-6) verwendet. Die anfängliche Herstellungsstrategie wurde weiter optimiert, dass zu einer hochwertigeren Struktur führte. Darüber hinaus wurden Strategien der Funktionalisierung entwickelt, um gedruckte Strukturen mit bioaktiven Eigenschaften auf deren Oberflächenumgebung auszustatten. Im ersten Schritt wurde das Material aminolysiert, um im nächsten Schritt eine höhere Menge an Heparin kovalent an die Oberfläche zu binden. Heparin ist dafür bekannt, eine hohe Bindungseffizienz an verschiedene Wachstumsfaktoren zu haben. In einem zweiten Schritt wurde der Wachstumsfaktor namens FGF-2 verwendet und indirekt an die modifizierte Oberfläche gebunden. Die Bioaktivität des Wachstumsfaktors wurde mittels Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) analysiert. In dieser Arbeit wurde eine Struktur mit einem Durchmesser von 6000 μm mittels 2 PP hergestellt. Dies wurde durch das verbesserte Protokoll für die Materialvorbereitung erreicht und durch das optimierte Design konnte eine höhere Qualität erreicht. Die Biofunktionalisierung zur Modifizierung der Oberfläche wurde durch die kovalente Bindung von Heparin an die bereits aminolysierte Oberfläche ermöglicht werden. Die Bindung von FGF-2 mit einer sensibleren Methode untersucht werde.

Two-Photon polymerization (2PP) is a promising additive manufacturing method, which enables the fabrication of complex three-dimensional objects using computer aided design (CAD). It relies on the interaction of femtosecond laser pulses with special photosensitive materials. The main advantage of 2PP compared to other additive manufacturing techniques is that resolutions in the sub-micron range can be achieved. The downside however is the increase in fabrication time, especially for larger structures. A growing field of interest is the use of 2PP for the fabrication of macro-sized scaffolds for different tissue engineering approaches since this technology is capable of reproducing the microstructure of different tissue types.The aim of this thesis was to design, print and develop strategies to functionalize a stable and bioactive macro scaffold via 2PP by using a novel material called hexa-acrylate end-capped urethane-based poly- ε-caprolactone (UPCL-6). The initial fabrication strategy was further optimized resulting in a high-quality macro-scaffold. The as obtained material was subsequently functionalized to endow the printed scaffolds with bioactive properties. The surface was initially functionalized with amine groups allowing for an increased uptake of heparin onto its surface. The heparin in turn was able to efficiently bind to several growth factors used in this study. In a second step, the fibroblast growth factor (FGF-2), was indirectly bound onto the surface modified with heparin. The bioactivity of FGF-2 was analyzed using enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). In this thesis a macro-size scaffolds with a diameter of up to 6000 μm were fabricated via 2PP. This was realized by improving the work protocol of the material preparation. The structure was further optimized by improving the porous structure design. The biofunctionalization process to modify the surface of the structure was enabled by covalently binding heparin on the aminolysed surface.
Keywords: multiphoton polymerization; tissue engineering; biofunctionalization; growth factor
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.90904
http://hdl.handle.net/20.500.12708/18005
DOI: 10.34726/hss.2021.90904
Library ID: AC16248999
Organisation: E308 - Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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