Fiber spinning for tissue engineering applications

  • Faserspinnen für Tissue Engineering Anwendungen

Omidinia Anarkoli, Abdolrahman; De Laporte, Laura (Thesis advisor); Wessling, Matthias (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Mit dem Ziel die natürliche Struktur der extrazellulären Matrix (ECM) von Geweben nachzuahmen, um das in vivo und ex vivo Wachstum und die Reifung von 3D-funktionalen Geweben zu erleichtern, wurden in den letzten Jahrzehnten viele "Top-down"- und "Bottom-up"-Techniken des Tissue Engineerings zur Herstellung von 3D-Gerüsten eingesetzt. Unter den verschiedenen Gerüsttypen waren faserige Konstrukte schon immer von großem Interesse, da ihre Struktur der nativen faserigen ECM nachempfunden ist und die Möglichkeit besteht, Faserlänge, -durchmesser und -organisation zu steuern, um spezifische Gerüstanforderungen für verschiedene Tissue-Engineering-Anwendungen zu erfüllen. Im Vergleich zu konventionellen Faserspinntechniken, wie z.B. dem Elektrospinnen, ermöglicht das hier entwickelte lösungsmittelgestützte Spinnen (Solvent Assisted Spinning, SAS) eine einfachere und zuverlässigere Kontrolle der Ausrichtung, des Abstands zwischen den Fasern (IFD) und der Oberflächentopographie der Fasern. Es wird beobachtet, dass die Oberflächentopographie von SAS-Fasern, die durch Phasentrennung induziert wird, die Zellmechanotransduktion durch Veränderung der Zellcytoskelettdehnung und möglicherweise der Kernporenöffnung verändern kann. Weitere Anwendungen von SAS-Fasern zeigen, wie die Orientierung der Nervenzellen, die Anzahl der Verzweigungen und die maximale Neuronenlänge durch die Oberflächentopographie der Fasern bei verschiedenen IFDs beeinflusst werden. Auf dem Weg von den entwickelten 2,5D-Systemen hin zu 3D-Konstruktionen wird ein hybrides Hydrogel (Anisogel genannt) entwickelt, das als injizierbares therapeutisches Material eingesetzt werden kann und sich nach der Injektion sowohl durch Injizierbarkeit als auch durch Unidirektionalität auszeichnet. Dazu werden magnetoaktive kurze Fasern entwickelt, die mit super-para-magnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln versetzt sind und in ein injizierbares Hydrogel gemischt werden. Nach der Injektion in Gegenwart eines kleinen externen Magnetfeldes orientieren sich die kurzen Fasern in Richtung des Magnetfeldes, während das umgebende Hydrogel enzymatisch vernetzt wird, um die Position der kurzen Fasern zu fixieren. Solche Arten von Hydrogelen sind eine wichtige neue Klasse von Materialien, die minimal invasiv appliziert werden können und anisotrope Führungsstrukturen bieten, was wichtige Eigenschaften sind von therapeutischen Materialien für Weichgewebe mit linearer ECM-Architektur, wie dem Rückenmark. Im Vergleich zu herkömmlichen Hydrogelen mit isotropen Strukturen zeigen Anisogele mit orientierten Kurzfasern ein lineares Wachstum der Nervenzellen und eine Signalausbreitung in den Richtungsfasern. Neben ihren Anwendungen zur Geweberegeneration, wenn sie als Gerüst verwendet werden, können Fasern auch als medizinisches Material für Wundverbände und/oder als Barriere für die Gewebeadhäsion nach Verletzungen eingesetzt werden. Durch die Kombination der Eigenschaften von Hydrogelen und Fasern werden Hydrogelfasern vorgestellt, die darauf abzielen, die Struktur und Zusammensetzung der ECM vollständig zu imitieren. Unter Verwendung eines optimierten Elektrospinnverfahrens und in Kombination mit flüssigem sternförmigem Polyethylenglykol, das mit Epoxid- und Aminendgruppen funktionalisiert ist, werden Hydrogelfasern mit variablen Eigenschaften (d.h. Quellungsrate, Durchmesser) hergestellt. Diese können für die Herstellung von mehrschichtigen 3D-Konstruktionen verwendet werden, wobei jede Schicht potenziell unterschiedliche chemische, physikalische oder mechanische Eigenschaften in einem Gradienten besitzt, mit großem Potenzial für ihre Anwendung als Wundverband. Insgesamt wurden durch die Veränderung der Fasereigenschaften innerhalb verschiedener Skalen (d.h. Nano-, Mikro-, Makroebene) einzigartige Funktionen wie Injizierbarkeit, Fernorientierung, Oberflächentopographie und Wasserquellbarkeit erreicht, die allein oder in Kombination für verschiedene Tissue-Engineering-Anwendungen genutzt werden können.

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