Hydrogels in 3D bioprinting and tissue engineering

Abstract

Tissue Engineering beschreibt die künstliche Herstellung von funktionsfähigem biologischem Gewebe mit dem Ziel beschädigtes Gewebe wieder zu regenerieren. Um die Herstellung von nativem Gewebe zu ermöglichen, werden Zellen mit einer Gerüststruktur - sogenannten Scaffolds - und Wachstumsfaktoren kombiniert. Die Anforderungen an Scaffold-Materialien sind vom herzustellenden Zielgewebe und ihrer Fertigungsmethode abhängig. Hydrogele sind vielversprechende Materialien, die sich vor allem für die direkte Verkapselung von Zellen eignen. Viele sind biokompatibel und biologisch abbaubar, weisen Zelladhäsionsmoleküle auf und ermöglichen Diffusion. Sie können so konzipiert werden, dass sie die natüriche Matrix von biologischem Geweben wiederspiegeln. In den letzten Jahren, wurden diese Materialien auch verstärkt auf ihre Verwendungsmöglichkeit im 3D bioprinting untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden die nötigen Materialeigenschaften von Hydrogelen für deren Verwendung als „bioink“ im 3D Bioprinting (Extrusion, Inkjet, Orifice-free Bioprinting) diskutiert. Des Weiteren wurde ein mathematisches Model entwickelt, welches die Veränderung der mechanischen Eigenschaften beschreibt, wenn das Hydrogel mit Zellen beladen wird. Einflüsse wie Zellproliferation, Zellverteilung und Zelldichte wurden hierbei untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein Material für den 3D Biodruck mittels Extrusionsverfahren entwickelt. Das Material weist sowohl strukturviskose als auch selbstheilende Eigenschaften auf. Im letzten Teil, wurde Methacrylamid-modifizierte Gelatine auf die Eignung im Bereich Knorpelregeneration untersucht. Das Hydrogel ist photosensitiv und injizierbar, wodurch es arthroskopisch appliziert werden könnte. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Hydrogel den chondrogenen Phenotyp unterstützt. Bereits dedifferenzierte Knorpelzellen konnten mittels 3D Hydrogelkultur wieder redifferenziert werden. Weiters konnte gezeigt werden, dass das Hydrogel nicht nur als Zelltransporter agiert und die Zellen an gewünschter Stelle am Gewebe fixiert, sondern auch die Zellen vor mechanischem Stress, welche im Gelenk auftreten, schützt.

Tissue engineering aims to regenerate damaged tissue. To meet this challenge, the fabrication of functional tissues remains to be the major goal. In order to replicate native tissue, cells have to be combined with a scaffold and growth factors. Hydrogels on the microscale level have been shown to be a powerful scaffold material as they provide many beneficial properties for cell encapsulation. Depending on the type of hydrogel, they are biocompatible and biodegradable, possess cell-adhesive domains, allow diffusion and can be designed in a way to mimic the extracellular matrix of native tissues. In the last years, they also have been excessively investigated for their use as a bioink in 3D bioprinting. In this work, the required material properties of a hydrogel to act as a bioink in 3D bioprinting are described along with most common 3D bioprinting approaches. Moreover, a numerical model, that predicts the changes in material properties when the hydrogel is loaded with cells, is introduced. The influences of cell density, cell distribution and proliferation on the material properties are investigated. In the second part, the material development of a new material exhibiting shear-thinning and self-healing properties for 3D extrusion bioprinting is described. In the last part, methacrylamide-modified gelatin is investigated for its clinical use in cartilage tissue engineering. As the hydrogel is injectable and photocrosslinkable, it could be applied arthroscopically in a minimal invasive way. We could show, that the hydrogel supports the chondrogenic phenotype to redifferentiate dedifferentiated chondrocytes and acts as a cell transporter as well as protectant from mechanical stress occurring in human joints during walking.