Biofabrication using fibrous shape-morphing materials

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Apsite, Indra:
Biofabrication using fibrous shape-morphing materials.
Bayreuth , 2020 . - 137 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005244

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Abstract

Even though the field of medicine is constantly growing and advancing, organ and tissue transplantation remains the standard treatment for life-threatening organ damage. As human life expectancy is constantly increasing, organ demand is greater than the supply of donated organs. Another serious issue with organ transplantation is immune rejection of donor organs. Nowadays, scientists consider tissue engineering as a possible solution to these problems. Even though tissue engineering has promise, fabrication of highly complex tissue with specific/ uniaxial cell alignment remains a significant problem. Another field in close contact with tissue engineering is biofabrication. Biofabrication can be defined as “the production of complex living and non-living biological products from raw materials such as living cells, molecules, extracellular matrices, and biomaterials”1. That is, biofabrication deals with fabrication of complex objects with biological functions. A novel biofabrication technique is 4D biofabrication, which assumes fabrication of complex 3D objects by shape-transformation of 2D and 3D objects in response to a specific stimulus. One of major advantage of this approach is that it allows high-resolution fabrication of hollow tubular structures with no use of sacrificial material and easy cell encapsulation.
The aim of this work is development of methods for fabrication of fibrous shape-morphing structures, which shall allow 4D biofabrication of muscle and neural tissues. It is envisioned that fibrous shape-morphing materials will be able to provide high permeability needed for diffusion of oxygen and nutrition as well as structured topography that can be used for improved cell alignment and growth. The novelty of this work is the investigation of the biocomptability, degradability and cell-material interactions with the fibrous shape-morphing materials.
Three different designs of biocompatible and degradable fibrous shape-morphing materials were prepared and investigated throughout this work. Different folding scenarios of the bilayer and multilayer fibrous shape-morphing materials have been discussed and explained based on various parameters: each layer thickness, the overall thickness of the bilayer/multilayer, number of the layers, environment temperature, choice of media, fiber alignment and shape of the material. Fibrous shape-morphing material interaction with three different cell types (fibroblasts, skeletal muscle cells, and neuron cells) has been described. High degradability has been achieved by the design of a fibrous bilayer system, that was able to achieve 70 % mass loss during a month of degradation without losing the stability of the self-rolled construct.
Overall, though this work, it was shown that designed materials can be used for engineering of tissue with uniaxial cell alignment as skeletal muscle and neuron tissue. It was demonstrated fibrous shape-morphing material potential for functional muscle microtissue formation, that can be further developed by self-assembly into muscle bundles. Electrospinning of conductive fibers could improve both muscle and neuron cell differentiation.

Abstract in weiterer Sprache

Auch wenn der Bereich der Medizin ständig wächst und sich weiterentwickelt, bleibt die Organ- und Gewebetransplantation die Standardbehandlung für lebensbedrohliche Organschäden. Da die Lebenserwartung der Menschen ständig steigt, ist die Nachfrage nach Organen größer als das Angebot von Spenderorganen. Ein weiteres ernstes Problem bei der Organtransplantation ist die Immunabstoßung von Spenderorganen. Heutzutage betrachten Wissenschaftler das Tissue Engineering als mögliche Lösung für diese Probleme. Auch wenn das Tissue Engineering vielversprechend ist, bleibt die Herstellung von hochkomplexen Geweben mit spezifischer/ einachsiger Zellausrichtung ein erhebliches Problem. Ein weiterer Bereich, der in engem Kontakt mit dem Tissue Engineering steht, ist die Biofabrikation. Die Biofabrikation kann definiert werden als "die Herstellung komplexer lebender und nicht lebender biologischer Produkte aus Rohmaterialien wie lebenden Zellen, Molekülen, extrazellulären Matrizen und Biomaterialien ". Das heißt, die Biofabrikation befasst sich mit der Herstellung komplexer Objekte mit biologischen Funktionen. Eine neue Biofabrikationstechnik ist die 4D-Biofabrikation, die die Herstellung komplexer 3D-Objekte durch Formtransformation von 2D- und 3D-Objekten als Reaktion auf einen bestimmten Stimulus übernimmt. Einer der Hauptvorteile dieses Ansatzes ist, dass er die hochauflösende Herstellung von hohlen röhrenförmigen Strukturen ohne Verwendung von unterstützenden Materialien und eine einfache Zellkapselung ermöglicht.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden zur Herstellung faserförmiger, formmodellierender Strukturen, die eine 4D-Biofabrizierung von Muskel- und Nervengewebe ermöglichen sollen. Es ist vorgesehen, dass faserige formmodellierende Materialien eine hohe Permeabilität, die für die Diffusion von Sauerstoff und Nährstoffen benötigt wird, sowie eine strukturierte Topographie bieten können, die für eine verbesserte Zellausrichtung und ein verbessertes Zellwachstum genutzt werden kann. Die Neuheit dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Biokomptabilität, der biologischen Abbaubarkeit und der Zell-Material-Wechselwirkungen mit den faserförmigen formmodellierenden Materialien.

Drei verschiedene Designs von biokompatiblen und biologisch abbaubaren faserförmigen, formverändernden Materialien wurden im Laufe dieser Arbeit vorbereitet und untersucht. Verschiedene Faltungsszenarien der zweischichtigen und mehrschichtigen faserigen formverändernden Materialien wurden erforscht und anhand verschiedener Parameter erläutert: Schichtdicke von jeder Schicht, die Gesamtdicke der zweischichtigen/mehrschichtigen Materialien, die Anzahl der Schichten, die Umgebungstemperatur, die Wahl der Medien, die Faserausrichtung und die Form des Materials. Die Wechselwirkung zwischen faserartigem formveränderndem Material und drei verschiedenen Zelltypen (Fibroblasten, Myozyten und Neuronen) wurde beschrieben. Eine hohe biologische Abbaubarkeit wurde durch das Design eines faserigen Doppelschichtsystems erreicht, das in der Lage war, während eines Monats des Abbaus einen Massenverlust von 70 % zu erreichen, ohne die Stabilität des selbstgewickelten Konstrukts zu verlieren.

Insgesamt haben wir durch diese Arbeit jedoch gezeigt, dass die entworfenen Materialien für die Konstruktion von Gewebe mit einachsiger Zellausrichtung als Skelettmuskel- und Nervengewebe verwendet werden können. Wir haben gezeigt, dass faserige, formmodellierende Materialien ein Potenzial für die Bildung von funktionellem Muskelmikrogewebe haben, das durch Selbstmontage zu Muskelbündeln weiterentwickelt werden kann. Das Elektrospinnen von leitfähigen Fasern könnte sowohl die Differenzierung von Muskel- als auch von Nervenzellen verbessern.