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Hydrogel systems with temporally controlled and sequential delivery of bioactive factors to induce cell growth
2025 & 2026
Dissertation, RWTH Aachen University, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-10
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-02246
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1029344/files/1029344.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540
Kurzfassung
In dieser Arbeit habe ich alle vier Bereiche des Tissue Engineering untersucht und dabei verschiedene Techniken zur Optimierung des Gefäßwachstums in 3D-Hydrogelen, insbesondere mit Hilfe von Wachstumsfaktoren, erforscht und komplexere Systeme geschaffen, um bessere, fortschrittlichere Gewebemodelle zu ermöglichen. Nachdem ich in Kapitel 1 die Motivation meiner Arbeit erläutert habe, die sich mit der Vaskularisierung, der Synergie verschiedener Gewebe und Hydrogelen als neuronale Gewebemodelle befasst, gibt Kapitel 2 einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik in diesen Bereichen. Dazu gehören Wachstumsfaktoren für die Vaskularisierung und Neuronen, die synergistischen Effekte zwischen vaskulären Zelltypen und neuronalen Geweben sowie Fortschritte bei Rückenmarkgewebemodellen. In Kapitel 3 beschreibe ich, wie die Vaskularisierung in synthetischen 3D-Hydrogelen durch verschiedene Faktoren wie Materialsteifigkeit, Zellverhältnisse und -konzentrationen, Wachstumsfaktoren, supporting cells und anisotrope Faktoren beeinflusst werden kann. Ich beobachtete, dass die Zugabe von Ang1 und PDGF-BB am Tag 4, gefolgt von Ang2 am Tag 6, zu einer erhöhten Vaskularisierung unter allen Bedingungen führte. Durch die Kombination dieser Faktoren habe ich die Vaskularisierung im Hydrogel etabliert, die ich in Kapitel 4 durch Einbau eines DRG in das System weiter zu einem innervierten Modell angepasst habe. Hier habe ich einen synergistischen Effekt geschaffen, der das Wachstum von Gefäßstrukturen unterstützt, und gezeigt, wie bestimmte Wachstumsfaktoren das Neuritenwachstum negativ beeinflussen können. Ich habe festgestellt, dass dieser Effekt überraschenderweise durch die Einführung von Anisotropie umgekehrt werden kann. Um ein komplexeres und menschenähnlicheres System zu entwickeln, untersuchte ich in Kapitel 5 statt DRGs motorische und sensorische Neuronen und entwarf ein zugängliches System, um das Verhalten dieser Zelltypen in einem 3D-Hydrogel zu beobachten. Zusätzlich fügte ich meinen optimalen Wachstumsfaktor-Cocktail zu einem Herzorganoid hinzu und überwachte die Gefäßbildung. Der letzte Abschnitt, Kapitel 6, befasst sich mit zwei verschiedenen Wirkstoffabgabesystemen: dem CMPs-System, das vielversprechend für die Abgabe größerer Biomoleküle wie dem Enzym Cellulase zum Abbau von Nanocellulose ist, und hohlen Mikrogelkapseln, die VEGF, als Beispiel für kleinere Wachstumsfaktoren, erfolgreich eingekapselt und freigesetzt haben. Zusammenfassend bietet diese Arbeit einen umfassenden Überblick darüber, wie Biomaterialien, Anisotropie und Wachstumsfaktoren das Zellverhalten beeinflussen können, von positiven bis zu negativen Effekten, und wie sie dazu beitragen können, fortschrittlichere In-vitro-Systeme zu erhalten.In this thesis, I examined all four fields of tissue engineering while exploring different techniques to optimize vascular growth in 3D hydrogels, especially with the help of GFs, and creating more complex systems to enable better, more advanced tissue models. After discussing the motivation of my work in Chapter 1, which concerns vascularization, synergy of different tissues, and hydrogels as neuronal tissue models, Chapter 2 provides an overview of the current state of the art in these fields. This includes GFs for vascularization and neurons, the synergistic effects between vascular cell types and neuronal tissues, and advances in spinal cord tissue models. In Chapter 3, I describe how vascularization in synthetic 3D hydrogels can be influenced by various factors such as material stiffness, cell ratios and concentrations, GFs, supporting cells, and anisotropic factors. I observed that adding Ang1 and PDGF-BB on day 4, followed by Ang2 on day 6, resulted in increased vascularization across all conditions. By combining these factors, I established vascularization in the hydrogel, which I further adapted towards an innervated model in Chapter 4 by incorporating a DRG into the system. Here, I created a synergistic effect that supported the growth of vascular structures and demonstrated how specific GFs can negatively impact neurite outgrowth. I found that this effect could surprisingly be reversed by introducing anisotropy. To develop a more complex and human-like system, I examined motor and sensory neurons instead of DRGs in Chapter 5 and designed an accessible system to observe the behaviors of these cell types within a 3D hydrogel. Additionally, I added my optimal GF cocktail to a cardiac organoid and monitored vascular formation. The final section, Chapter 6, explores two different drug delivery systems: the CMPs system, which shows promise for delivering larger biomolecules, such as the enzyme cellulase to degrade nanocellulose, and hollow microgel capsules that successfully encapsulated and released VEGF, as an example of smaller GFs.In conclusion, this thesis provides a comprehensive overview of how biomaterials, anisotropy, and GFs can affect cell behavior, from inducing positive to negative effects, and how they can help to receive more advanced in vitro systems.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031417828
Interne Identnummern
RWTH-2026-02246
Datensatz-ID: 1029344
Beteiligte Länder
Germany
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