Entwicklung eines 3D-biogedruckten Blutgefäßersatzes zur Untersuchung des zellulären Verhaltens in In-vitro-Gewebemodellen unter dynamischer Kultivierung

Hansen, Nadja; Fischer, Horst; Jockenhövel, Stefan

doi:HT031312801

Entwicklung eines 3D-biogedruckten Blutgefäßersatzes zur Untersuchung des zellulären Verhaltens in In-vitro-Gewebemodellen unter dynamischer Kultivierung

Hansen, Nadja^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nadja Hansen, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Fischer, Horst (Thesis advisor)^RWTH* ; Jockenhövel, Stefan (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08995
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020439/files/1020439.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein 3D-biogedrucktes In-vitro-Modell eines Blutgefäßes erstellt, das neue Erkenntnisse über die Mechanismen der Gewebeangiogenese liefern soll und mit dem neue Medikamentenwirkstoffe getestet werden können. Dafür wurde ein Bioreaktor aus PEEK entwickelt, der direkten Bildgebung und Perfusion ermöglicht. Des Weiteren wurden unterschiedliche Hydrogele auf Kollagen- und Fibrin-Basis auf verschiedene Zellarten abgestimmt, miteinander verglichen und die Zell-EZM Interaktion analysiert. Es zeigte sich, dass reines 2,5 %-iges Fibrin geeignet ist, um eine stabile Endothelschicht als Auskleidung der 3D-gedruckten Makro-Gefäße zu erhalten. Großporigere und weniger steife Kollagen-Fibrin-Kompositionen eigneten sich im Gegensatz dazu vor allem für Gewebemodelle der Leber und als Matrizes von Tumorsphäroiden. Hepatozyten zeigten eine gesteigerte metabolische Aktivität durch eine erhöhte Produktion von Albumin in einem Hydrogel, dass hinsichtlich der Steifigkeit der gesunden Leber (4,5 kPa) entsprach. Es zeigte sich ferner, dass das Einbringen von Fibroblasten und HUVECs in die Matrix positiven Einfluss auf die Zelladhäsion sowie den Zellmetabolismus hatten. HUVECs in der umliegenden Matrix begünstigten die Ausbildung von Mikrogefäßen aus den gedruckten Makrogefäßen heraus. Es war vorteilhaft, wenn die verdruckten HUVECs zunächst drei Stunden in der Gelatine kultiviert wurden, um stabil an der umliegenden Matrix anzuhaften, bevor das Gel ausgespült wurde. Die Endothelschicht war deutlich stabiler, wenn diese 72 Stunden Zeit hatte, sich unter statischen Bedingungen auszubilden, bevor die Durchströmung und damit die dynamische Kultivierung startete. Mittels Doppel-Opfermaterial-Methode konnten verzweigte Gefäßstrukturen bis zu einem Durchmesser von 10 µm hergestellt werden. Das entwickelte In-vitro-Modell könnte in Kombination mit dem weiter zu entwickelnden Leber- und dem Tumormodell neue Erkenntnisse zur metastatischen Kaskade und in der Folge für neue Ansätze zur Krebstherapie liefern.

The present work describes the development of a novel 3D-bioprinted in vitro model of a blood vessel to provide new insights into the mechanisms of tissue angiogenesis and to test new drug substances. A bioreactor made of PEEK was developed, which enables direct imaging and perfusion. Furthermore, different collagen- and fibrin-based hydrogels were tailored to the different cell types, compared with each other and the cell-ECM interactions were studied. The results show the benefit of pure 2.5 % fibrin for obtaining a stable endothelial layer as a lining for the 3D-bioprinted macrovessels. In contrast, collagen-fibrin compositions with larger pores and less stiffness were particularly suitable for tissue models of the liver and as matrices of tumor spheroids. In particular, hepatocytes showed an increased metabolic activity by an increased production of albumin in the hydrogel that corresponded to the stiffness of the healthy liver (4.5 kPa). It was also shown, that the introduction of fibroblast and HUVECs into the matrix had a positive influence on cell adhesion and metabolism. HUVECs in the surrounding matrix increased the formation of microvessels from the printed macrovessel. It was advantageous if the printed HUVECs were first cultured in the gelatine for three hours to adhere to the surrounding matrix, before the gel was rinsed out. The endothelial layer was significantly more stable if it had 72 hours to form under static conditions before the flow through and thus the dynamic cultivation started. Using the double sacrificial material method, branched vascular structures up to a diameter of 10 µm could be produced. The combination of the developed in vitro model with a further developed liver and the tumor model could provide new insights into the metastatic cascade and subsequently for new approaches for cancer therapy.

OpenAccess:
PDF
(additional files)