Functional fibrin-polysaccharide-based hydrogels for 3D cellular constructs

Jung, Shannon Anna; Pich, Andrij; Neuß-Stein, Sabine

doi:45031

Functional fibrin-polysaccharide-based hydrogels for 3D cellular constructs

Jung, Shannon Anna^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Shannon Anna Jung, M. Sc. Chemie

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pich, Andrij (Thesis advisor)^RWTH* ; Neuß-Stein, Sabine (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-00555
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1025146/files/1025146.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D cellular constructs (frei) ; dextran (frei) ; fibrin (frei) ; hydrogels (frei) ; polysaccharide (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
In dieser Arbeit wurden Fibrin-Polysaccharid-basierte Hydrogele und Mikrogelesysteme als Biomaterialien für 3D-Zellkonstrukte untersucht. Fibrin zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Zellverträglichkeit aus, während die Polysacchariden Dextran und Pektin zur mechanischen Stabilität beitragen. Durch die gezielte Kombination von Fibrin und Polysaccharide konnten Hydrogelen mit vorteilhaften Eigenschaften für potenzielle Anwendungen im Tissue Engineering hergestellt werden. Im ersten Kapitel wurden Fibrin-Polysaccharid-Co-Netzwerk Hydrogele und Fibrin-Polysaccharid interpenetrierende Polymernetzwerk Hydrogele hergestellt und hinsichtlich ihrer mechanischen und strukturellen Eigenschaften charakterisiert. Für Fibrin-Polysaccharid-Co-Netzwerk Hydrogele wurden unterschiedlichen Mengen funktionalisierter Polysaccharide kovalent mit Fibrin vernetzt und anschließend analysiert. Im zweiten Ansatz wurden simultan zwei Netzwerke aus Fibrin und funktionalisierten Polysaccharid mit Vernetzer erzeugt, um interpenetrierende Fibrin-Polysaccharid Hydrogelnetzwerke zu generieren. Die Zugabe von Dextran-Methacrylat (Dex-MA) zu Fibrin-Dex-MA-interpenetrierende Polymernetzwerke führte zu einer erhöhten Steifigkeit, einstellbarer Porosität und einer verlangsamten Degradation der Hydrogele. Im zweiten Kapitel wurden Fibrin-Dex-MA-basierte Mikrogele mittels tröpfchenbasierter Mikrofluidik synthetisiert. Die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der Mikrogele zeigte eine Zunahme der Steifigkeit mit steigender Dex-MA Konzentration. Zudem wurde eine Abnahme der Permeabilität und Porosität der Fibrin-Dex-MA-Mikrogele mit zunehmender Dex-MA Konzentration festgestellt. Darüber hinaus wurden die Degradation und die Verkapslung von Hepatozyten-Wachstumsfaktoren in Fibrin-Dex-MA-Mikrogelen untersucht. Es konnten Mikrogele mit variablen Degradationszeiten hergestellt werden, wodurch eine kontrollierte Freisetzung von Hepatozyten-Wachstumsfaktoren ermöglicht wurde. Mittels Live/Dead Färbung von Zellen auf Hydro- und Mikrogelen konnte die Biokompatibilität bestätigt werden. Das dritte Kapitel befasste sich mit den 3D-Druck von Fibrin-Dex-MA-Hydrogele und Mikrogelsysteme mittels zweier unterschiedlicher Verfahren sowie mit der Verkapselung von sauerstofffreisetzender Calciumperoxid-Nanopartikel in Fibrin-Dex-MA-Mikrogelen. Mit Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH)-Methode konnten Hydrogele erfolgreich als 3D-Konstrukte gedruckt werden. Durch das „Jamming“ der Mikrogele wurden ausgeprägte shear-thinning-Eigenschaften erzielt, die das Drucken von Mikrogelen ermöglichten. Die Verkapselung von Calciumperoxid zeigte eine kontrollierte Sauerstofffreisetzung aus den Gelsystemen. Zusammenfassend wurden Fibrin-Dex-MA-Hydrogele und Mikrogele mit einstellbarer Steifigkeit, Porosität, kontrollierter Degradation, Biokompatibilität und Druckbarkeit hergestellt. Diese vorteilhaften Eigenschaften ermöglicht die Bildung von 3D-Zellkonstrukten und bieten Potenzial für die Anwendungen im Tissue Engineering.

In this work, fibrin-polysaccharide-based hydrogel and microgel systems were investigated as biomaterials for 3D cellular constructs. Fibrin is valued for its excellent cell compatibility, while the polysaccharides dextran and pectin contribute to mechanical stability. By strategically combining fibrin with polysaccharides, hydrogels with advantageous properties for potential tissue engineering applications can be produced. In the first chapter, fibrin-polysaccharide co-network hydrogels and fibrin-polysaccharide interpenetrating polymer network hydrogels were fabricated and characterized based on their mechanical and structural properties. For the fibrin-polysaccharide co-network hydrogels, varying amounts of functionalized polysaccharides were covalently cross-linked with fibrin and subsequently analyzed. In a second approach, two simultaneous networks composed of fibrin and functionalized polysaccharides with a crosslinker were generated to create interpenetrating fibrin-polysaccharide hydrogel networks. The addition of dextran-methacrylate (Dex-MA) to the fibrin-Dex-MA interpenetrating polymer network resulted in increased stiffness, tunable porosity, and slower degradation of the hydrogels. In the second chapter, fibrin-dextran-methacrylate-based microgels were synthesized via droplet-based microfluidics. Investigation of the mechanical properties of the microgels showed increased stiffness with higher Dex-MA concentrations. Additionally, a decrease in permeability and porosity of fibrin-Dex-MA microgels was observed with increasing Dex-MA content. The degradation and encapsulation of hepatocyte growth factors within fibrin-Dex-MA microgels were studied. Microgels with variable degradation times were obtained, enabling controlled release of hepatocyte growth factors. The biocompatibility of the hydrogels and microgels was confirmed by live/dead staining of cells cultured on these materials. The third chapter focused on the 3D printing of fibrin-Dex-MA hydrogels and microgels systems using two different methods, as well as on the encapsulation of oxygen-releasing calcium peroxide nanoparticles in fibrin-Dex-MA microgels. With the Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH) technique, hydrogels were successfully printed as 3D constructs. Pronounced shear-thinning properties were achieved by ‘jamming’ the microgels, which enabled the extrusion-based printing of microgels. Encapsulation of calcium peroxide demonstrated a controlled release of oxygen from the gel systems. In summary, fibrin-Dex-MA hydrogels and microgels with tunable stiffness, porosity, controlled degradation, biocompatibility, and printability were successfully fabricated. These favorable properties facilitate the formation of 3D cellular constructs and highlight their potential in tissue engineering applications.

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