Engineering multiscale, biomimetic scaffolds based on protein-based materials as advanced cardiovascular implants

El Maachi, Ikram; Fernández Colino, Alicia; Vogt, Felix

doi:45342

Engineering multiscale, biomimetic scaffolds based on protein-based materials as advanced cardiovascular implants

El Maachi, Ikram^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science, RWTH Aachen University Ikram El Maachi

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource (19,14,11 Seiten) : Illustrationen, Tabellen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Fernández Colino, Alicia (Thesis advisor)^RWTH* ; Vogt, Felix (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-03-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03815
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1032826/files/1032826.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet NRW-Schwerpunktprofessur Biohybrid & Medical Textiles (923810)

Projekte

BMBF 13XP5136 - Bioinspirierte materialgetriebene Textilien für kardiovaskuläre Implantate (13XP5136) (13XP5136)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Die Entwicklung funktioneller kardiovaskulärer Implantate erfordert Gerüststrukturen, die die Mechanik, die zellulären Signale und die strukturelle Organisation nativer Gewebe nachbilden, eine Herausforderung aufgrund des Kompromisses zwischen Bioaktivität und mechanischer Robustheit verfügbarer Materialien. Bioaktiven Materialien fehlt oft die physiologische Festigkeit, während mechanisch stabile Materialien möglicherweise keine komplexe Geweberegeneration unterstützen oder die hierarchische Architektur, die für die Biomimikry unerlässlich ist, nicht reproduzieren. Diese Arbeit befasst sich mit diesen Herausforderungen in zwei Teilen: Erstens der Verstärkung biologisch aktiver Matrizen, um mechanischen Anforderungen gerecht zu werden, und zweitens der Erzielung sowohl von Materialfunktionalität als auch architektonischer Präzision. Fibrin, das für seine Bioaktivität und autologe Gewinnung geschätzt wird, ist in kardiovaskulären Anwendungen durch schlechte mechanische Eigenschaften und schnellen Abbau nur begrenzt einsetzbar. Wir entwickelten ein Verbundgerüst, das Fibrin mit Seidenfibroin, unter Verwendung eines Dual-Injektionsverfahrens und Ethanol-Temperns, kombiniert. Die rheologische Analyse zeigte, dass die Zugabe von 1% (w/v) Seidenfibroin den Scherelastizitätsmodul nahezu um das 20-fache erhöhte. Diese Verbundstoffe widerstanden der Kontraktion durch menschliche arterielle glatte Muskelzellen und unterstützten die Endothelialisierung, was sowohl mechanische Belastbarkeit als auch biologische Kompatibilität demonstriert. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Nachbildung der hierarchischen Struktur und Elastizität nativer Gewebe. Wir entwickelten elastinähnliche Hydrogelfasern mittels katalysatorfreier Klickchemie und Mikrospritzguss. Diese Fasern zeigten eine hohe Dehnbarkeit (bis zu 500% Dehnung) mit vollständiger elastischer Rückstellung. Ein Salzauslaugungs-/Gasschäumungsschritt verlieh eine einstellbare Porosität, und die Fasern unterstützten die Adhäsion und Ausrichtung von Endothelzellen unter physiologischer Belastung. Wichtig ist, dass diese Fasern mithilfe von Textiltechniken zu skalierbaren Gerüststrukturen mit präziser architektonischer Kontrolle konstruiert werden konnten. Zusammen verbinden diese komplementären Plattformen biologische Funktionalität, mechanische Belastbarkeit und architektonische Genauigkeit und treiben die Entwicklung kardiovaskulärer Implantate der nächsten Generation voran, die dynamische Integration und langlebige Funktionalität ermöglichen.

The development of functional cardiovascular implants requires scaffolds that replicate native tissue mechanics, cellular cues, and structural organization, a challenge due to the trade-off between bioactivity and mechanical robustness in available materials. Bioactive materials often lack physiological strength, while mechanically stable materials may not support complex tissue regeneration or reproduce the hierarchical architecture essential for biomimicry. This thesis addresses these challenges in two parts: first, reinforcing biologically active matrices to meet mechanical demands, and second, achieving both material functionality and architectural fidelity. Fibrin, valued for its bioactivity and autologous sourcing, is limited in cardiovascular applications by poor mechanical properties and rapid degradation. We developed a composite scaffold combining fibrin with silk fibroin using a dual-injection process and ethanol annealing. Rheological analysis showed that adding 1% (w/v) silk fibroin increased the shear elastic modulus nearly 20-fold. These composites resisted contraction by human arterial smooth muscle cells and supported endothelialisation, demonstrating both mechanical resilience and biological compatibility. The second part focuses on replicating the hierarchical structure and elasticity of native tissues. We developed elastin-like hydrogel fibres using catalyst-free click chemistry and microscale injection moulding. These fibres exhibited high extensibility (up to 500% strain) with complete elastic recovery. A salt-leaching/gas-foaming step imparted tuneable porosity, and the fibres supported endothelial cell adhesion and alignment under physiological strain. Importantly, these fibres could be assembled using textile techniques to engineer scalable scaffolds with precise architectural control. Together, these complementary platforms bridge biological functionality, mechanical resilience, and architectural fidelity, advancing next-generation cardiovascular implants capable of dynamic integration and long-term performance.

OpenAccess:
PDF
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