Synthetic molecular and colloidal building blocks for biofabrication of complex tissues

Günther, Daniel; De Laporte, Laura; Jockenhövel, Stefan

doi:44764

Synthetic molecular and colloidal building blocks for biofabrication of complex tissues = Synthetische molekulare und kolloidale Bausteine für die Biofabrikation komplexer Gewebe

Günther, Daniel^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Günther, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
De Laporte, Laura (Thesis advisor)^RWTH* ; Jockenhövel, Stefan (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08482
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1019643/files/1019643.pdf

Einrichtungen

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
In dieser Dissertation untersuche ich verschiedene Strategien zur Erstellung komplexer Gewebe, indem ich Materialien optimiere, die mit Biofabrikationstechniken kompatibel sind und das Zellwachstum unterstützen. Dabei untersuche ich die Bildung vaskulärer Strukturen, die für die langfristige Lebensfähigkeit der konstruierten Gewebe unerlässlich sind. Nach der Erläuterung der Motivation meiner Arbeit zur Herstellung komplexer Gewebe und ihrer potentiellen Anwendung in der klinischen Transplantation sowie als in vitro Modellsysteme, gibt Kapitel 2 einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik in diesem Bereich. Dazu gehören Methoden zur Kontrolle der Porosität künstlicher Gewebe, Strategien zur Erzeugung vaskulärer Strukturen auf verschiedenen Skalen sowie verschiedene Bioprinting-Techniken zur Herstellung komplexer Gewebe. In Kapitel 3 beschreibe ich die Optimierung einer PEG-basierten Biotinte zur Unterstützung des Wachstums prävaskularisierter Sphäroide, die empfindlich auf die Steifigkeit der umgebenden Matrix reagieren und bevorzugt in weichen Hydrogelen wachsen. Durch die Kombination von hydrolytischen und enzymatischen Abbaumechanismen kompensiere ich die zunächst hohe Steifigkeit, die zur Sicherstellung der Formstabilität biogedruckter Konstrukte erforderlich ist, und ermögliche gleichzeitig umfangreiches Zellwachstum. Dieser Ansatz überbrückt die Unterschiede zwischen den mechanischen Anforderungen des Bioprintings und den biologischen Bedürfnissen der Zellen, indem eine schnelle Materialerweichung zur Schaffung von Raum für das Zellwachstum ermöglicht wird. In Kapitel 4 zeige ich, dass sich diese Sphäroide zu uniluminalen Strukturen reorganisieren können, die der Struktur vereinfachter Blutgefäße ähneln. Dies hängt von dem Zellverhältnis, der Sphäroidgröße sowie der Hydrogelsteifigkeit ab. Zudem können solche Sphäroide mit benachbarten Sphäroiden zu röhrenförmigen Strukturen mit einem durchgehenden Lumen fusionieren. Um den Hydrogelabbau besser zu kontrollieren – insbesondere nach einer Transplantation in vivo, wo er schwer zu regulieren ist – wird in Kapitel 5 ein Mechanismus zur bedarfsgesteuerten Hydrogeldegradation vorgestellt. Die Integration von Thrombin-sensitiven Crosslinkern in PEG-Hydrogele ermöglicht eine kontrollierte Degradation durch Thrombin, das entweder dem Medium zugesetzt oder als Teil eines biokatalytischen Systems in das Polymernetzwerk integriert wird, welches durch Ultraschall aktiviert werden kann. Während sich die Thrombin-Zugabe ins Medium als wirksam erwiesen hat, um das Zellwachstum in vitro zu fördern, ist die ultraschallgesteuerte Degradation besonders vielversprechend für Anwendungen in vivo. Abschließend beschreibt Kapitel 6 die Bildung von Zell-Mikrogel-Konstrukten ohne die Notwendigkeit eines Materialabbaus. Dieser Prozess wird vollständig durch Zellen kontrolliert und gesteuert, kann jedoch durch externe Faktoren beeinflusst werden.

In this thesis, I explore different strategies to create complex tissues by optimizing materials that are compatible with biofabrication techniques to support cell growth, while investigating the formation of vascular structures, essential for ensuring the long-term viability of the engineered constructs. After discussing the motivation of my work to create complex tissues and their potential use in clinical transplantation as well as in vitro model systems, Chapter 2 gives an overview of the current state of the art in that field. This includes methods to control the porosity of artificial matrices, strategies to create vascular structures on different scales, and different bioprinting techniques used for the fabrication of complex tissues. In Chapter 3, I describe the optimization of a PEG-based bioink to support the growth of prevascularized spheroids, which are sensitive to the stiffness of the surrounding matrix and preferably grow in soft hydrogels. By combining hydrolytic and enzymatic degradation mechanisms, I compensate for the initial high stiffness required to ensure the shape fidelity of bioprinted constructs, while enabling extensive cellular network formation. This approach bridges the gap between the mechanical demands of bioprinting and the biological needs of 3D cell culture, enabling rapid material softening to create space for cell growth. In Chapter 4, I demonstrate that these spheroids can reorganize into uniluminal structures resembling the inherent structure of simplified blood vessel. This depends on the cell ratio, the spheroid size and hydrogel stiffness. Additionally, such spheroids can fuse with neighboring spheroids to create tubular structures with a continuous lumen. For better control over hydrogel degradation, which is particularly challenging to regulate in vivo after transplantation, the establishment of an on-demand hydrogel degradation mechanism is presented in Chapter 5. The integration of thrombin-cleavable crosslinkers into PEG hydrogels allows for controlled degradation via thrombin that is supplemented to the media or integrated into the polymer network as part of a biocatalytic system that can be activated with ultrasound. While media-supplemented thrombin has proven effective to promote cell growth in vitro, the ultrasound-triggered degradation is particularly promising for in vivo application. Finally, Chapter 6 describes the formation of cell/microgel assemblies without the need for material degradation. While this process is fully driven by cellular self-organization, it can be influenced by external guiding cues.

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