Citation:
Kopinski-Grünwald, O. (2021). Studying the in vivo degradability of high-resolution 3D printed scaffolds tor tissue engineering applications [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/80134
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Publication Type:
Thesis - Diplomarbeit
en
Language:
English
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Date (published):
2021
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Number of Pages:
63
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Keywords:
2-Photon polymerization (2PP); tissue engineering; in-vivo degradation; microscaffold; fabrication
en
Abstract:
Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ist ein 3D-Druckverfahren, welches sich vor allem durch seine hohe Auflösung im (nm-Bereich) auszeichnet. Wie jedes andere Fertigungsverfahren hat auch 2PP einige Nachteile, unter anderem die vergleichsweise lange Fertigungsdauer, welche die gedruckten Strukturen meistens auf wenige mm Kantenlänge begrenzt. Durch den oben genannten Vorteil und die ständige Weiterentwicklung des 2PP-Verfahrens z.B. durch den Einsatz neuer Materialien kommt es vermehrt in der Entwicklung und Herstellung für biomedizinische Anwendungen zum Einsatz. Ein spezielles Gebiet welches „Tissue Engineering“ genannt wird umfasst die Herstellung von komplexen Strukturen (=scaffolds), welche dazu dienen Zellen in vitro zu kultivieren, um anschließend das erhaltene Konstrukt (bestehend aus Zellen und „scaffold“) in einen Körper zu implantieren um erkranktes oder verletztes Gewebe zu ersetzten. Bevor 2PP-gedruckte Strukturen im Bereich des Tissue Engineerings erfolgreich eingesetzt werden können, muss der Abbauprozess dieser Strukturen im Körper (in vivo) untersucht werden. Bislang gibt es keine Studie welche die Abbauprozesse von 2PP-gedruckten Strukturen in vivo untersuchte. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Abbauprozesse von 2PP-gedruckten in vivo zu untersuchen. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein neuentwickeltes Copolymer welches auf Basis biologisch abbaubarer Polymere synthetisiert wurde verwendet, um scaffolds mittels 2PP herzustellen. Wie bereits erwähnt ist die Größe und das Volumen von 2PP gedruckten Strukturen durch die vergleichsweise lange Fertigungsdauer meist auf wenige mm begrenzt. Um ausreichend große scaffolds für einen möglichen Tissue Engineering-Ansatz zu produzieren, mussten in einem ersten Schritt geeignete Druckparameter für das verwendete Material experimentell ermittelt werden. Anschließend wurden die produzierten scaffolds in ein Maus-Model implantiert, um die Abbauprozesse über insgesamt 8 Wochen zu untersuchen. Um diese zu evaluieren wurden vor der Implantation sowie nach der Explantation hochauflösende CT-Scans der Proben durchgeführt. Dadurch konnten bestimmte Stellen der komplexen Geometrie (vor und nach der in vivo Abbaustudie) miteinander verglichen werden, um auftretende Änderungen durch biologische Abbauprozesse zu eruieren. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden das durch experimentelle Optimierung geeignete Druckparameter gefunden werden konnten, um eine hochporöse Struktur mit einem Volumen von mehr als 7 mm3 mittels 2PP herzustellen. Außerdem wurde erstmals eine Methode angewandt um die biologische Abbaubarkeit in vivo von 2PP gedruckten Strukturen zu untersuchen. Außerdem konnte bewiesen werden, dass es mittels der hier vorgestellten Methode möglich ist abbaubedingte Veränderungen einer 2PP gedruckten Struktur (im μm-Bereich) zu untersuchen. Daher stellt diese Arbeit nicht nur ein Protokoll für die Herstellung von scaffolds für mögliche Tissue Engineering-Anwendungen mittels 2PP dar, sondern beweist auch dass die hier angewendete Methode praktikabel ist um in vivo Abbauprozesse zu untersuchen.
de
Two-Photon polymerization (2PP) is a promising additive manufacturing method, which allows the fabrication of structures from three-dimensional computer aided designed (3D-CAD) models. The main advantage of 2PP compared to other additive manufacturing methods is the very small achievable feature sizes in the submicrometer range. This advantage comes with the drawback of rather long fabrication times, especially for larger structures. An emerging field of use for 2PP is the fabrication of microscaffolds, for a variety of tissue engineering approaches as well as in the field of regenerative medicine. However, to apply 2PP-printed microstructures in the respective fields, their in vivo degradability, an important material property especially in the field of tissue engineering, still needs to be investigated. The aim of this work is to provide deeper insights into the biodegradability of 2PP-printed structures in vivo, as such data is not available until now. To provide the desired insights, a novel urethane-based prepolymer called hexa-acrylate end-capped urethane-based poly-ε-caprolactone (UPCL-6) was utilized to fabricate scaffolds with a complex inner architecture by 2PP. To result in scaffolds with a clinically-relevant size for tissue engineering approaches, printing parameters for the mentioned material were established and subsequently upscaled. Furthermore, the in vivo degradation behavior of these scaffolds was analyzed over the course of 8 weeks in a mouse model and verified by high-resolution micro computed tomography. This approach allows to study optical measurable alterations (in the micrometer range) of the implanted structures and provides a comparison of well-defined locations within the scaffolds, prior to implantation and after explantation. It could be shown here that through optimization and upscaling of printing parameters, stable highly porous structures with a volume of more than 7 mm3 could be fabricated. Furthermore, a method to investigate the in vivo degradation behavior of 2PP printed structures, was developed here for the first time. The proposed approach covered the fabrication of samples, the scaffold characterization techniques, as well as the analysis of degradation-related alterations of the samples. It could be shown that the here developed method is capable of tracking degradation related alterations (in the μm-range) of the scaffold geometry. Therefore, the work presented here did not only result in the fabrication of large-size 2PP-printed scaffolds for possible tissue engineering approaches, but also serves as proof of principle for a method capable of tracking the in vivo degradation behavior of 2PP fabricated structures.
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