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Microfluidic fabrication of tailored microgels for tissue engineering applications
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-18
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540
Kurzfassung
Das Tissue Engineering hat sich zu einem relevanten wissenschaftlichen Fachgebiet entwickelt, welches Möglichkeiten bietet, die Lebensqualität von heutigen und zukünftigen Generationen zu verbessern, indem Einblicke und selektive Lösungen für gegenwärtige medizinische oder biomedizinische Herausforderungen ermöglicht werden. Eine besondere Herausforderung besteht in der Entwicklung von Plattformen, die ein besseres Verständnis, eine Regeneration und den Ersatz menschlichen Gewebes ermöglichen. In diesem Zusammenhang stellen Mikrogele aussichtsreiche Materialien dar, welche verschiedene attraktive Eigenschaften besitzen. Bei tröpfchen-basierter Mikrofluidik handelt es sich um eine vielversprechende Produktionsmethode zur kontinuierlichen Herstellung von Mikrogelen mit verschiedenen regulierbaren relevanten Eigenschaften für Anwendungen in der Biomedizin oder des Tissue Engineerings. Die vorliegende Arbeit zeigt die Entwicklung unterschiedlicher Mikrofluidik-Plattformen und deren Implementierung zur Herstellung verschiedener Mikrogele, welche vielfältige Herausforderungen im Zusammenhang der Anwendung im Tissue Engineering betreffen. Der Fokus lag hierbei auf unterschiedlichen Aspekten hinsichtlich der mikrofluidischen Herstellung und Anwendung der produzierten Materialien. Diese beinhalten die Skalierbarkeit der Herstellung sphärischer und stäbchenförmiger Mikrogele, den Einbau von Funktionalität mit besonderem Augenmerk auf der Bildung von dreidimensionalen (3D) Mikrogel-Zell Konstrukten und die Entwicklung von Mikrogelen zur direkten und lokalen Freisetzung von spezifischen Biomolekülen. Adressiert wird die Entwicklung von parallelisierten Step-Emulsifizierungsmikrofluidik-Plattformen, welche die Produktion von sphärischen Mikrogelen realisieren. Weiterhin wird die Entwicklung einer Mikrofluidik-Plattform gezeigt, die Step-Emulsifizierung mit Tropfenstreckung und Vernetzung in parallelen Mikrokanälen zur parallelen Herstellung stäbchenförmiger Mikrogele kombiniert. Es wird gezeigt, wie produzierte Mikrogele als Substrate zur Herstellung von 3D-Zell-Materialkonstrukten verwendet werden können. Hierbei liegt besonderer Fokus auf der reproduzierbaren Herstellung von 3D-induzierten pluripotenten Stammzell-(iPSC)-Mikrogel-Konstrukten in verschiedenen Größen von Mikro- bis Millimeterformaten, basierend auf sphärischen Polyethylenglycol (PEG) Mikrogelen. Abgesehen von der Verwendung von Mikrogelen als Substrate ermöglicht Mikrofluidik die Herstellung von Mikrokapseln zur Verkapselung und Freisetzung von Biomolekülen. Hierzu wurde eine Plattform entwickelt, welche ausgehend von Doppelemulsionen poröse PEG-basierte Mikrokapseln erzeugt. Die Mikrokapseln haben unterschiedliche Porengrößen und dienen als vielversprechende Träger für eine diffusionsbasierte Freisetzung von Biomolekülen, sofern die Freisetzungseigenschaften systemspezifisch eingestellt werden.Tissue engineering has emerged as a relevant scientific field that is capable of improving the quality of human life of current and future generations by selectively targeting and providing insights into current medical or biomedical challenges. One particular challenge is to develop platforms that are able to better understand, regenerate, and replace human tissues. In this aspect, microgels are promising materials, featuring various attractive properties. Droplet-based microfluidics presents a promising continuous production method for fabricating microgels featuring desired properties and characteristics for biomedical or tissue engineering applications. In this thesis, the development of different microfluidic platforms and their implementation is demonstrated, aiming at fabricating a variety of microgels that can solve different tasks in tissue engineering applications. Conceptually, the efforts were directed towards different aspects regarding the microfluidic production and application of the produced materials, which include: production scalability of spherical and rod-shaped microgels, introducing functionality into microgels with special attention on forming three-dimensional (3D) microgel-cell constructs, and developing a platform for locally releasing specific biomolecules directly from microgels. The development of parallelized step emulsification microfluidic devices for producing spherical microgels is addressed. Moreover, the development of a microfluidic platform that combines step emulsification with droplet confinement and crosslinking in parallelized microchannels for fabricating rod-shaped microgels in parallel is presented. Further, it is outlined how the produced microgels can be implemented as substrates in generating 3D cell-material assemblies, with special focus on achieving a platform to reproducibly create 3D induced pluripotent stem cell (iPSC) microgel constructs in sizes ranging from the micro- to millimeter scale, based on spherical polyethylene glycol (PEG)-based microgels. In addition to providing substrates, droplet microfluidics can give rise to microcapsules, capable of encapsulating and releasing biomolecules. A platform was developed to generate porous PEG-based microcapsules from double emulsion droplets, featuring different pore sizes, creating promising carriers for a diffusion-based delivery of biomolecules, provided that the release properties are system specifically tuned.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031410373
Interne Identnummern
RWTH-2026-00404
Datensatz-ID: 1024915
Beteiligte Länder
Germany
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