3D-printing of therapeutic nano-particles

Abstract

Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ist eine neuartige CAD/CAM-basierte 3D-Druck Technologie. Sie erlaubt die Herstellung von komplexen Strukturen mit einer Auflösung im Mikro- bis Nanometer Bereich. Da sehr geringe Werkstückgrößen realisiert werden können, sind die Anwendungsbereiche sehr breit gefächert. 2PP ermöglicht die Produktion von hohen Stückzahlen mit gleichzeitig großer Geschwindigkeit und Genauigkeit. Neue biokompatible Materialien und die Möglichkeit der Herstellung benutzerdefinierter Strukturen, macht diese Technologie besonders attraktiv für biomedizinische Anwendungen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Einfluss der Materialien und derer Zusammensetzungen auf die Auflösung der Strukturen untersucht. Es werden unterschiedliche Sol-Gel Materialien auf Basis von Zirkonium, Tantal und Titanium getestet. Der Druck wird mit variabler Leistung, Schreibgeschwindigkeit und verschiedensten Strukturen durchgeführt. Außerdem wird der Einfluss der Voxel-Größe (volumetric pixel) und der Hatch Einstellungen untersucht. Die unterschiedliche Auflösung in lateraler und axialer Richtung wird ebenfalls berücksichtigt und in das Strukturdesign mit einbezogen. Der letzte Teil dieser Arbeit widmet sich der Untersuchung des Einflusses von Partikeln auf Zellen. Es kann gezeigt werden, dass die verwendeten Zellen die Tendenz haben, die Partikel aufzusammeln.

Two-photon polymerization (2PP) is a novel CAD/CAM-based 3D printing technology, allowing the fabrication of complex structures with sub-micron lateral resolution. Due to the small achievable size of the parts, many possible applications in different fields have been demonstrated. The 2PP technique provides the possibility of producing a large number of structures with high speed and accuracy at the same time. Such custom-made parts containing features at the nanoscale in combination with biocompatible hybrid materials make this additive manufacturing technology particularly attractive for biomedical applications. In the first part of this work, investigations on the influence of the material composition on the resolution of the structures are presented. 2PP processing of different photosensitive sol-gel materials on the basis of zirconium, tantalum and titanium with variable inorganic content was tested. The printing is performed with variable power and writing speed as well as different structure design. Furthermore the influence of volumetric pixel (voxel) size as well as the direction of hatching is investigated. The observed deviation between the lateral and axial resolution is implemented in the structures-geometry. Finally, investigations of the interaction between the various structures and different cell lines are presented. It can be shown that the cells tend to collect the particles and take them in.