Title: Extrusion 3D Bioprinting of nanocellulose based bioinks
Language: English
Authors: Theiner, Sebastian 
Qualification level: Diploma
Advisor: Ovsianikov, Aleksandr  
Assisting Advisor: Guillaume, Olivier  
Issue Date: 2021
Number of Pages: 58
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Drei-dimensionaler (3D) Druck von biokompatiblen Materialien ist ein wachsendes Forschungsgebiet mit zunehmenden Anwendungsmöglichkeiten. Das größte Ziel ist das Drucken ganzer Organe, die für Transplantationen verwendet werde können. Allerdings gibt es nebenbei auch kleinere Anwendungsbereiche, die ebenfalls von großer Bedeutung sind. Dazu gehört die Automatisierung von Prozessen in der Zellkultur. In dieser Arbeit wird die Druckbarkeit von kommerziellen Nanozellulose Biotinten untersucht und das Verhalten von Adulten Stammzellen in diesen beobachtet. Die verwendeten Biotinten, GrowDex, GrowDex-T, GrowInk-T und Laminink+ werden zuerst auf ihre Druckbarkeit und im Folgenden auf ihre Zytokompatibilität getestet. Die Zytokompatibilität wurde über einen Zeitraum von 14 Tagen untersucht. Die Konzentration der Biotinte hat hier eine entscheidende Auswirkung auf beide getesteten Eigenschaften. Während die Formstabilität mit steigender Viskosität ebenfalls ansteigt, führt dies zu größeren Einschränkungen für die enthaltenen Zellen. Daher ist es wichtig eine gute Balance zwischen Druckfestigkeit und Bewegungsfreiheit der Zellen zu finden. Aufgrund dieser Überlegungen konnten GrowDex und GrowInk-T vorzeitig von weiteren Experimenten ausgeschlossen werden. GrowDex-T und Laminink+ wurden als geeignetste Materialien befunden. Anschließend wurde 3D Druck mit manueller Pipettierung verglichen, um festzustellen, ob drucken mittels schmaler Druckspitzen den Zellen mehr schadet, als Pipetierung. Zu guter Letzt wurde getestet, ob Zellen sich aus Streifen Biotinte in Zell-lose Streifen Biotinte innerhalb von zwei Wochen ausbreiten. Hierfür wurden fünf parallele Streifen gedruckt, von denen zwei Zellen beinhalten. GrowDex-T wurde in einer Konzentration von 0.8% Nanozellulose getestet während Laminink+ im Verhältnis 2:1 mit Zellkulturmedium gemischt wurde. Die Zellen sind in GrowDex-T besser gewachsen und haben ihre Form geändert. Währenddessen blieben die Zellen in Laminink+ weitgehend gleich und haben sich deutlich schwächer vermehrt. Die durchgeführten Experimente zeigen, dass Nanozellulose Biotinten für 3D Zellkultur und 3D Druck mit Zellen geeignet sind. Von den hier getesteten Biotinten gilt GrowDex-T als die beste Biotinte, da sie gute Druckeigenschaften hat, um Strukturen für Langzeit Zellkulturen von ASCs zu drucken.

Three-dimensional (3D) bioprinting is a growing field with an increasing number of possible applications. Besides big goals such as printing whole organs it can also be used to automize and simplify cell culture processing. In this thesis a printing protocol for commercially available nanocellulose based bioinks is established. The cytocompatibility of the used bioinks is tested using adipose derived stem cells (ASCs). The used nanofibrillar cellulose (NFC) bioinks, GrowDex, GrowDex-T, GrowInk-T and Laminink+ are first tested on their printability and correct dilutions. The behavior of cells inside the bioinks was observed over 14 days to assess the cytocompatibility of the tested bioinks. The main parameter to be tested is the concentration of the bioinks, as it affects the printability of the ink and the viability of the cells inversely. Therefore, the right mixing ratio of bioink and cell suspension is needed for the bioink to still be printable in a stable structure, with favorable conditions for proliferation and migration of cells. As GrowDex and GrowInk-T did not fulfill both of these requirements they were eliminated from further testing. GrowDex-T and Laminink+ were selected as the inks with the best properties. As a final preparation step the effects of manual deposition and extrusion bioprinting on the cells are observed. Droplets of the same size are manually deposited and bioprinted. After observing that there is no significant difference in cell survival and cell proliferation, between manual deposition and extrusion bioprinting, the final cell migration experiment is conducted. Stripes of cell-free bioink and cell-containing bioink are printed next to each other and the behavior of cells is observed over two weeks. Overall, the cells grow outside of the printed structure and do not invade the unseeded stripes of bioink. In GrowDex-T, with a concentration of 0.8 %, cells show better proliferation and change their morphology from a round to a spindle shape. Cells in Laminink+, mixed in a ratio of 2:1 with cell suspension, do not change significantly but also do not die. These experiments show that cells can be cultured in NFC hydrogels for bioprinting. From the tested bioinks GrowDex-T is the best candidate as it has the best printing properties, while providing stable structures for long-term culturing of ASCs.
Keywords: 3D Biopriting; Bioink; Extrusion
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.91642
http://hdl.handle.net/20.500.12708/18006
DOI: 10.34726/hss.2021.91642
Library ID: AC16249026
Organisation: E308 - Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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