4D Biofabrication using self-folding polymers

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Stroganov, Vladislav:
4D Biofabrication using self-folding polymers.
Bayreuth , 2018 . - 90 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Current work addresses major problems in tissue engineering such as vascularization and control over cell distribution. It proposes novel stimuli-responsive self-folding materials as scaffolds for vascular constructs as well as for other tissues with natural tubular structures.
The self-folding materials used in this work were bilayer polymer films with hydrophilic and hydrophobic polymer layers. Under certain conditions in water, hydrophilic polymer swelled and generated bending force which resulted in a folding behavior. Two main systems were tested: one was biodegradable and was based on crosslinked gelatin and polycaprolactone and another was non-biodegradable consisting of poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) and polystearylmethacrylate (PSMA). It was shown that both bilayers were able to form tubes with varying diameters upon external triggering. More importantly, it was demonstrated that both systems were cytocompatible and suitable for scaffolding purposes.
To achieve control over cell distribution inside self-folded tubes it was proposed to pattern polyethyleneglycol (PEG) on top of PSMA. This approach was successful as it could be seen that cells had adhered only to those areas which were not covered by PEG.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Arbeit adressiert wichtige Probleme im Bereich der Gewebekonstruktion wie Vaskularisierung und Kontrolle der Zellverteilung. Sie beschreibt neuartige, auf Stimuli reagierende selbstfaltungsfähige Materialien als Gerüst für Gefäßkonstrukte sowie für andere Gewebe mit natürlichen röhrenförmigen Strukturen.
Die in dieser Arbeit verwendeten selbstfaltenden Materialien waren Doppelschicht-Polymerfilme mit hydrophilen und hydrophoben Polymerschichten. Unter bestimmten Bedingungen in Wasser quoll das hydrophile Polymer auf und erzeugte eine Biegekraft, die zu einem Faltverhalten führte. Zwei verschiedene Systeme wurden getestet. Eines war biologisch abbaubar und basierte auf vernetzten Gelatine und Polycaprolacton während das andere nicht biologisch abbaubar war und aus Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAM) und Polystearylmethacrylat (PSMA) bestand. Es wurde gezeigt, dass beide Doppelschichten bei externer Anregung Röhren mit unterschiedlichen Durchmessern bilden können. Entscheidend war, dass beide Systeme zytokompatibel und als Gerüst für Gefäßkonstrukte geeignet sind.
Um die Kontrolle über die Zellverteilung in selbstgefalteten Röhren zu erreichen, wurde mit strukturiertem Polyethylenglycol (PEG) auf PSMA experimentiert. Dieser Ansatz war erfolgreich, da die Zellen nur an jenen Bereichen anhafteten, die nicht von PEG bedeckt waren.