Design, realization, and validation of an extrusion-based bioprinter for hydrogel applications on microchips

Abstract

Bioprinting has emerged as a promising technology in tissue engineering and regenerative medicine, offering the potential to fabricate complex three-dimensional structures with living cells and biomaterials. This thesis presents a comprehensive study on bioprinting, encompassing a literature review, the design and implementation of a novel bioprinter, and its subsequent validation. The literature review delves into the advancements and challenges in bioprinting, encompassing various bioprinting techniques, bioinks, and applications. It examines the state-of-the-art research, highlighting the significance of cell-laden constructs and the need for precise cell deposition for tissue regeneration. Moreover, the review addresses key issues such as bioink composition, cell viability, microfluidic design and single cell deposition. Building on the insights from the literature review, the thesis proceeds to detail the design and development of a custom extrusion-based bioprinter. The bioprinter emphasizes versatility of open-source design, allowing for the incorporation of various bioinks and the precise deposition of hydrogel material. To validate the bioprinter's capabilities, experimental studies on extrusion limits are conducted. The bioprinted constructs are analyzed using advanced imaging techniques. The results demonstrate the bioprinter's ability to produce complex structures with high spatial resolution. This thesis provides a comprehensive exploration of bioprinting, from a detailed literature review to the design and implementation of a novel bioprinter. The validated bioprinter showcases its potential as a powerful tool in the field of regenerative medicine, offering new possibilities for creating functional tissue constructs with living cells. This research contributes to the advancement of bioprinting technology, paving the way for future innovations in the realm of tissue engineering and personalized medicine.

Bioprinting hat sich zu einer vielversprechenden Technologie im Bereich der Geweberekonstruktion (Tissue Engineering) und in der regenerativen Medizin entwickelt und bietet das Potenzial, komplexe dreidimensionale Strukturen mit lebenden Zellen und Biomaterialien herzustellen. Diese Dissertation stellt eine umfassende Studie zum Bioprinting vor, die eine Literaturrecherche, den Entwurf und die Implementierung eines neuartigen Bioprinters sowie dessen anschließende Validierung umfasst. Die Literaturübersicht befasst sich mit den Fortschritten und Herausforderungen beim Bioprinting und umfasst verschiedene Bioprinting-Techniken, Bioinks und Anwendungen. Diese Arbeit erfasst den aktuelle Stand der Forschung und fokussiert sich auf die Bedeutung zellbeladener 3D Konstrukte in Hinblick auf die präzise Zellablagerung für die Geweberegeneration. Darüber hinaus befasst sich die Arbeit mit Schlüsselthemen wie der Zusammensetzung der Biotinte, der Lebensfähigkeit der Zellen, dem mikrofluidischen Design und der Ablagerung einzelner Zellen. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus der Literaturrecherche setzt die Arbeit mit der detaillierten Beschreibung des Designs und der Entwicklung eines maßgeschneiderten extrusionsbasierten Biodruckers fort. Der Bioprinter betont die Vielseitigkeit des Open-Source-Designs und ermöglicht die Einbindung verschiedener Biotinten und die präzise Abscheidung von Hydrogelmaterial. Um die Fähigkeiten des Bioprinters zu validieren, werden experimentelle Studien zu den Machbarkeitsgrenzen der Extrusion durchgeführt. Die biogedruckten Konstrukte werden mithilfe fortschrittlicher bildgebender Verfahren analysiert. Die Ergebnisse belegen die Fähigkeit des Bioprinters, komplexe Strukturen mit hoher räumlicher Auflösung zu erzeugen. Diese Arbeit bietet eine umfassende Untersuchung des Bioprintings, von einer detaillierten Literaturrecherche bis hin zum Design und der Implementierung eines neuartigen Bioprinters. Der validierte Bioprinter stellt sein Potenzial als leistungsstarkes Werkzeug im Bereich der regenerativen Medizin unter Beweis und bietet neue Möglichkeiten zur Herstellung funktioneller Gewebekonstrukte mit lebenden Zellen. Diese Forschung trägt zur Weiterentwicklung der Bioprinting-Technologie bei und ebnet den Weg für zukünftige Innovationen im Bereich Tissue Engineering und personalisierte Medizin.