From theory to application - 3D bioprinting of cells

Titelangaben

Müller, Sebastian Johannes:
From theory to application - 3D bioprinting of cells.
Bayreuth , 2023 . - VI, 219 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007042

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Abstract

Biofabrication comprises all forms of the automated production of living and functional
biological tissue, involving methods from medicine, biology, chemistry, engineering, and
physics. The efforts are driven by the growing demand of organ and tissue transplants,
the need for improved pharmaceutical drug testing models, prosthetics, and cancer
research. The broad spectrum of evolving techniques ranges from advances in cell
expansion methods to cell specific bioink development, from assembly and controlled
self-assembly of organoids to tissue structures of physiological scale. The most popular
manufacturing technology is 3D bioprinting, where established fused-deposition
techniques have been translated to operate with bioinks that have special material
properties; and hence also special demands. For example, the cytocompatibility and
permeability with nutrients, or the micromechanical extra-cellular environment provided
by the material, have to be tailored to fit the needs of specific cell types. And while
negative biochemical interactions can virtually be eliminated through proper biomaterial
choice, the hydrodynamic influences during the fabrication process are what inevitably
remains to damage the cells. At which stage of the printing process, and in what
magnitude it affects the cells, however, is hardly understood so far.
To elucidate the underlying mechanisms, we develop in this thesis a variety of analytical
and numerical tools to study the behavior of cells under realistic printing conditions.
As a starting point, we investigate the flow of the bioink from the material cartridge
through a confined needle and the outlet, which results in elongational and shearing fluid
motion acting on the suspended cells. To quantify the major suspect for flow-induced
cell damage, the shear stress, we develop a semi-analytical solution of the Navier-Stokes
equations for a generalized Newtonian fluid, a class comprising all fluids with strain
rate dependent viscosity. A practical Python implementation of our algorithm has
become a popular tool among experimentalists of the community. We further propose
an analytical method to estimate shear stress induced cell damage during printing,
which despite its simplicity accurately reproduces a large experimental data set.
The cell is the second essential ingredient in a bioink for printing. We develop a hyperelastic
cell model, which we carefully validate with experiments in both an atomic
force microscopy based compression setup and several microfluidic devices. We show
that the strain hardening effect of the employed Mooney-Rivlin strain energy functional
description strongly depends on the mode of deformation which the cell undergoes in
either compression or flow. For our flow-based investigations, we modify the theory
of Roscoe and demonstrate that its range of applicability can be extended from the description of neo-Hookean particles in a linear shear flow to Mooney-Rivlin particles in
a Poiseuille flow and, strikingly, still remains valid for shear thinning suspensions. An
essential assumption in both micromechanical characterization techniques as well as in
large-scale simulations is the homogeneity of the cell’s interior. We therefore provide
systematic proof of the possibility to substitute any elastic inhomogeneity inside the
cell with a homogeneous equivalent, and do so for both compression and flow scenarios.
Our knowledge gained from the validation of our flow computations and the cell model
is then concentrated into the simulation of the three steps of the extrusion process:
the nozzle inlet, the nozzle itself, and its exit at the tip. Single cell simulations are
performed to elucidate the role of the particular flow patterns and the bioink rheology.
Simulations of dense cell suspensions which resemble desired bioprinting conditions
supplement this information. We find that the elongational flows at the inlet of the
nozzle have an effect similar in magnitude to the maximum shear stresses present in
the nozzle. They are almost independent of the trajectory of the entering cell, however,
only act on a very short time span. The shear stresses inside the nozzle, on the other
hand, act along its entire length, and the duration is inverse proportional to the flow
velocity. Hence, cells flowing closer to the wall experience higher stresses for a longer
time span, decreasing their potential to survive during extrusion, or maintain proper
functionality post-printing. Elongational flows act on the cells a second time when
exiting the nozzle at the tip. We find that here their influence is in general lower than
the shear stresses inside the nozzle, and the dominating factor is the relaxation from
the sheared deformation into the stress-free shape.
This thesis is a contribution to research regarding the mechanical behavior of cells in
different experimental setups and especially bioprinting-related scenarios. The analytical
and numerical methods developed herein are capable of explaining various — but not all
— features of the cell behavior and identify the major flow-induced damage factors for
cells during extrusion, while offering the potential to be extended with further features.

Abstract in weiterer Sprache

Unter dem Begriff Biofabrikation fasst man alle Formen der automatisierten Herstellung
funktionierenden, lebenden, biologischen Gewebes zusammen, wobei Methoden der
Disziplinen Medizin, Biologie, Chemie, Ingenieurswesen und Physik Anwendung finden.
Getrieben werden diese Entwicklungen durch den stetig steigenden Bedarf an Spendeorganen
und -geweben, der Notwendigkeit verbesserter Gewebemodelle für pharmazeutische
Studien, Prothetik und die Krebsforschung. Das breite technologische Spektrum reicht
dabei von Methoden der Zellexpansion zur Entwicklung maßgeschneiderter Biotinten,
von Selbstorganisation und kontrollierter Selbstorganisation von Organoiden zu Gewebestrukturen
physiologischer Längenskala. Die dabei prominenteste Technologie ist der
3D Biodruck, wo die bereits etablierte fused deposition-Methode dahingehend erweitert
wurde, dass auch Biotinten mit speziellen Materialeigenschaften eingesetzt werden können.
Spezielle Anforderungen an die Materialien, etwa die Zellverträglichkeit oder die
Permeabilität für Nährstoffe, oder auch die von der Tinte erzeugte mikromechanische
Umgebung der Zelle, müssen gemäß der Ansprüche eines jeden Zelltyps angepasst werden.
Und selbst wenn die negativen biochemischen Wechselwirkungen durch passende
Wahl des Biomaterials im Prinzip ausgeschaltet werden können, bleiben doch unvermeidbar
die hydrodynamischen Einflüsse während des Druckprozesses übrig, die die
Zellen schädigen können. An welcher Stelle des Druckprozeses und in welcher Stärke
diese Einfluss auf die Zellen ausüben, ist bislang nicht vollständig geklärt.
Wir beleuchten die zugrundeliegenden Mechanismen in dieser Arbeit mithilfe mehrerer
analytischer und numerischer Werkzeuge, mit denen wir das Verhalten von Zellen unter
realistischen Druckbedingungen untersuchen. Als Einstiegspunkt betrachten wir die
Strömung der Biotinte von der Materialkartusche beginnend durch die Nadel und die
Öffnung am Ende, wobei sowohl Elongations- als auch Scherströmungen auftreten, die
auf die suspendierten Zellen wirken. Scherspannungen gelten dabei weitgehend als
Hauptursache für Zellschäden. Wir berechnen diese über eine semi-analytische Lösung
der Navier-Stokes Gleichungen für generalisierte Newtonsche Fluide, eine Klasse, die
jegliche Fluide beschreibt, deren Viskosität von der lokalen Dehnrate abhängt. Unsere
anwenderfreundliche Python Implementierung dieses Algorithmus hat sich zu einem
beliebten Werkzeug der Experimentalisten entwickelt. Mit einer weitaus simpleren
analytischen Methode können wir die von rein durch Scherspannungen verursachte
Zellschädigung bereits hervorragend abschätzen, wie wir durch Reproduktion eines
großen experimentellen Datensatzes zeigen.
Zellen sind die zweite essentielle Zutat einer Biotinte für den 3D Druck. Wir entwickeln ein hyperelastisches Zellmodell, welches wir mit Experimenten sowohl aus Rasterkraftmikroskopie
als auch Mikrofluidischen Messungen validieren. Dabei zeigen wir, dass
die Stärke der Dehnverhärtung der verwendeten Beschreibung durch ein Mooney-Rivlin
Dehnenergiefunktional insbesondere von der Deformationsmode abhängt, die die Zelle
unter Kompression oder in Fluss annimmt. Zur Betrachtung einer Zelle in der Strömung
erweitern wir die Theorie von Roscoe und demonstrieren, dass ihr ursprünglicher Anwendungsbereich
deutlich erweitert werden kann: von einem Partikel mit neo-Hookscher
Elastizität in einer linearen Newtonschen Strömung hin zu einem Mooney-Rivlin Partikel
in einer parabolischen Poiseuille-Strömung und tatsächlich auch für Zellsuspensionen
in scherverdünnenden Fluiden in einer nichtlinearen Rohrströmung. In mechanischen
Charakterisierungsmethoden von Zellen wie auch in großen Simulationen ist eine häufige
Annahme die elastische Homogeneität des Zellinneren. Wir zeigen daher systematische
Belege dafür, wie eine Zelle mit beliebig elastisch heterogenem inneren Aufbau grundsätzlich
durch eine gleichwertige, homogene Zelle ersetzt werden kann. Diese Betrachtungen
führen wir in Kompressions- und in Strömungsszenarien durch. Die Erkenntnisse aus der
Validierung des Zellmodells und der Flussberechnungen konzentrieren wir abschließend in
unseren Simulationen der wichtigsten Stufen des 3D Biodruckprozesses: (i) dem Eintritt
in die Nadel, (ii) der Nadel selbst und (iii) dem Austritt an der Spitze. Simulationen
mit einzelnen Zellen klären dabei die Rolle der unterschiedlichen Strömungsmuster und
der Rheologie der Biotinte. Unterstützt und erweitert werden diese mit Simulationen
von dichten Zellsuspensionen, die realen Biodruck-Bedingungen entsprechen.
Es zeigt sich, dass die Elongationsflüsse am Nadeleintritt einen Einfluss auf die Zellen
haben, der vergleichbar ist mit dem der maximalen Scherspannungen innerhalb der
Nadel. Der Einfluss ist außerdem annähernd unabhängig von der Trajektorie der Zelle.
Er wirkt jedoch nur auf einer kurzen Zeit- und Längenskala, wohingegen die Scherspannungen
innerhalb der Nadel auf der gesamten Länge wirken, wobei die Zeitskala
invers proportional zur Flussgeschwindigkeit ist. Daher erfahren Zellen, die nahe der
Nadelwand fließen, höhere Spannungen und diese zugleich für längere Zeit, was ihr
Überlebenspotential nach dem Druck einschränkt. Beim Nadelaustritt wirken ein zweites
Mal Elongationsflüsse auf die Zelle ein, hier allerdings im allgemeinen schwächer als am
Eintritt. Der dominante Prozess ist die Relaxation vom gescherten in den kräftefreien
Zustand.
Diese Arbeit bildet einen Beitrag zur Forschung über Zell- und Strömungsmechanik in
verschiedenen experimentellen Aufbauten und im Speziellen für relevante Szenarien des
3D Biodrucks. Die entwickelten analytischen wie auch numerischen Methoden können
einige — wenn auch nicht alle — Eigenschaften des Zellverhaltens erklären und die
dominierenden Einflüsse strömungsbedinger Zellschädigung während eines Extrusionsprozesses
identifizieren. Sie können in Zukunft leicht mit zusätzlichen Funktionen
erweitert werden.