3D artificial extracellular matrices for directed in vitro cell growth

Vedaraman, Sitara; De Laporte, Laura; Möller, Martin

doi:HT030347068

3D artificial extracellular matrices for directed in vitro cell growth

Vedaraman, Sitara^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sitara Vedaraman, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
De Laporte, Laura (Thesis advisor)^RWTH* ; Möller, Martin (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-01-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06997
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/961720/files/961720.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
invitro platforms (frei) ; nerve regeneration (frei) ; oriented cell growth (frei) ; tissue engineering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
In dieser Dissertation werden mehrere Strategien zur Entwicklung von 3D aECM vorgestellt, um das gerichtete in-vitro-Zellwachstum unter Berücksichtigung der Einflüsse verschiedener Biomaterialparameter, wie chemischer, physikalischer und architektonischer Faktoren zu ermöglichen. Beginnend mit der Forschungsmotivation und der Hervorhebung der relevanten Literatur, untersucht die Dissertation die aECM-Entwicklung von hierarchischen Gerüsten, ihre Grenzen und Ansätze, um diese Grenzen zu überwinden. In Kapitel 2 wird der aktuelle Stand der Forschungnäher beleuchtet und zunächst die Entwicklung der ECM sowie von Integrin-bindenden Domänen beschrieben. Darüber hinaus werden Herstellungstechniken für Oberflächentopographien und synthetisch hergestellte 3D-Gerüste vorgestellt. In Kapitel 3 wird die Rolle architektonischer Signale bei der Orientierung von Nervenzellen auf 2D-Plattformen beschrieben, die mit einem Hochdurchsatz-TPL-System entwickelt wurden, wobei die Fähigkeit von Nerven, diskreten anisometrischen Mikroelementen zu folgen, erstmals systematisch untersucht wird. Außerdem wird die Rolle unterstützender Zellen bei der Bildung von aECM-Plattformen verdeutlicht. In Kapitel 4 wird die Notwendigkeit eines Übergangs von 2D-Modellen zu 3D-Scaffolds hervorgehoben, der für die Nachahmung relevanter Gewebemodelle in vivo unerlässlich ist. In diesem Zusammenhang werden synthetische PEG-Hydrogele untersucht, die mit neuartigen integrinspezifischen, bicyclischen RGD-Peptiden verknüpft sind und im Vergleich zu linearen oder monocyclischen RGD-Peptiden ein besseres Nervenwachstum ermöglichen. Dabei kann das Nervenwachstum mit magnetisch ausrichtbaren Fasern im ANISOGEL orientiert werden. Kapitel 5 veranschaulicht die Bedeutung der viskoelastischen und dehnungsstabilisierenden Mikroumgebung bei der Entwicklung von aECM und die Rolle von interpenetrierenden Netzwerken aus PIC und PEG, die im Vergleich zu den individuellen Gelen bessere mechanische Eigenschaften für das Zellwachstum aufweisen. Schließlich werden in Kapitel 6 Techniken zur räumlichen Photopatterning von Biomolekülen, die für die Zelladhäsion von Bedeutung sind, im Detail erörtert. Hier werden zwei verschiedene Photomusterungssysteme untersucht, die die biomechanischen Eigenschaften nicht beeinflussen. Das caged RGD-System und das caged Q/K-System zeigen Möglichkeiten zur gerichteten und räumlichen Kontrolle von Zellen auf. Die Vielfalt der Photoschutzgruppen, die für verschiedene Wellenlängen sensitiv sind, ebnet den Weg von der in-vitro- zur in-vivo-Photomusterung, um biochemische Gradienten in injizierbaren aECM-Gerüsten zu erzeugen. Zusammenfassend stellt das in dieser Arbeit entwickelte Hydrogel ein vielseitiges System zur Verwendung als injizierbares Gerüst mit Integrin-selektiven Adhäsionspeptiden dar, dem durch die Kombination mit PIC-PEG IPNs viskoelastische Eigenschaften verliehen werden und schließlich auf Basis des ANISOGELs oder durch Biopatterning ein orientiertes Zellwachstum ermöglicht.

This doctoral thesis reports multiple strategies to develop 3D aECM for directed in vitro cell growth, considering the influence of different biomaterial parameters, such as chemical, physical, and architectural cues. Beginning with research motivation and highlighting the relevant literature, the thesis probes into aECM development of hierarchical scaffolds, its limitations, and the approaches to specifically address these limitations. Chapter 2 mainly highlights the state-of-the-art in detail starting with the ECM development, engineering integrin-binding domains, and fabrication techniques for surface topographies closing with synthetically derived 3D scaffolds. Chapter 3 describes the role of architectural cues in orienting nerve cells on 2D platforms developed using a high-throughput TPL system and the ability of nerves to follow discreet anisometric microelements is systematically investigated for the first time. Further, the role of supporting cells in creating aECM platforms is realized. In Chapter 4, the need for transition from 2D to 3D scaffolds is highlighted, which is essential for mimicking relevant tissue models in vivo. Here, synthetic PEG hydrogels tethered with novel integrin-specific bicyclic RGD peptides are investigated, reporting superior nerve growth compared to linear or monocyclic RGD peptides. ANISOGELS made with magnetically orientable fibers provided oriented nerve growth. Chapter 5 illustrates the importance of the viscoelastic and strain-stiffening microenvironment in aECM design and the role of interpenetrating networks of PIC and PEG showing superior mechanical properties compared to the individual gels for cell growth. Finally, chapter 6 discusses in detail the techniques to spatially photo-pattern biomolecules relevant for cell adhesion. Here, two different photo-patterning systems are explored that do not alter the biomechanical properties. The caged RGD system and the caged Q/K systems both show possibilities for directed and spatial control of cells. The variety of photo protective groups available in different wavelengths paves the way from in vitro photopatterning towards in vivo photopatterning to create biochemical gradients in injectable aECM scaffold. To summarize, the hydrogel reported in this thesis is a versatile system that can be employed as a promising injectable scaffold with integrin selective adhesion cues, imparting viscoelastic properties in combination with PIC-PEG IPNs, and finally enabling oriented cell growth using ANISOGELS or through bio-patterning.

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