Hydrogelsysteme auf Basis UV-polymerisierbarer Biopolymere für den Aufbau von Gewebemimetika mittels Inkjet-Bioprinting am Beispiel von hyalinem Knorpel

Gegenstand der Arbeit war die Darstellung von Biopolymer-basierten, gewebeähnlichen Hydrogelsystemen und deren Formulierung als Biotinten für das Inkjet-Bioprinting. Dafür wurden zwei Bestandteile der natürlichen extrazellulären Matrix gewählt: Gelatine und Chondroitinsulfat. Beide wurden durch Reaktion mit Methacrylsäureanhydrid derivatisiert. Zur Anpassung der Geleigenschaften an verschiedene native Gewebe durch Variation des Vernetzungsgrades wurden Gelatinederivate mit verschiedenen Methacrylierungsgraden der Aminogruppen erzeugt: Ca. 70 % bis ca. 100 %. Chondroitinsulfat wurde mit einem Methacrylierungsgrad der Disaccharideinheiten von ca. 23 % derivatisiert. Unter Variation des Methacrylierungsgrades sowie des Massenanteiles konnten durch UVA-initiierte Vernetzung in Anwesenheit des Photoinitiators Irgacure® 2959 chemisch stabile Gelatinehydrogele mit großer Variationsbreite ihrer Quellbarkeit (ca. 370 % bis 965 %) und mechanischen Festigkeit (ca. 5 kPa bis 370 kPa) erzeugt werden. Die erreichten Quellbarkeiten und mechanischen Festigkeiten lagen im Bereich verschiedener nativer Weichgewebe. Die Vernetzung mithilfe eines hoch intensiven, fokussierten Laserstrahles im Sinne der Zweiphotonenpolymerisation ermöglichte außerdem die Erzeugung von mikrostrukturierten Gelatinehydrogelen. Gelenkknorpel (hyaliner Knorpel), welcher in der vorliegenden Arbeit als Modellgewebe gewählt wurde, besitzt herausragende Eigenschaften bezüglich seiner Festigkeit und Quellbarkeit. Durch die Integration von Chondroitinsulfat in die Gelatinehydrogele konnten die Geleigenschaften im Hinblick auf die Beschaffenheit von nativem Gelenkknorpel verbessert werden, indem die Quellbarkeit bei gleichbleibender Festigkeit signifikant erhöht wurde. So wiesen beispielsweise 10 Gew.-%-ige Gelatinehydrogele (Methacrylierungsgrad ca. 85 %) einen Speichermodul von ca. 9,8 kPa und eine Quellbarkeit von ca. 660 % auf. Vergleichbare Hybrid-Hydrogele mit Chondroitinsulfat besaßen mit ca. 10,7 kPa einen nahezu unveränderten Speichermodul, wohingegen die Quellbarkeit mit ca. 830 % signifikant höher war. Die physikalischen Eigenschaften der Hybrid-Hydrogele aus Gelatine und Chondroitinsulfat waren damit nativem Gelenkknorpel ähnlicher als die reiner Gelatinehydrogele. Bei der Verkapselung von Chondrozyten in dreidimensionale Gelatine- und Gelatine-Chondroitinsulfat-Hydrogele zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Gelzusammensetzung auf die Morphologie und das Proliferationsverhalten der Zellen. Chondrozyten in Chondroitinsulfat-haltigen Gelen wiesen eine zellarttypische kugelige Morphologie und eine geringe proliferative Aktivität auf. Chondrozyten in reinen Gelatinegelen besaßen vorwiegend eine Fibroblasten-artige Morphologie und eine höhere Proliferationsrate, wie es für dedifferenzierte Chondrozyten typisch ist. Dies deutet darauf hin, dass die dargestellten Chondroitinsulfat-haltigen Hydrogele den Chondrozyten-spezifischen Differenzierungszustand stabilisierten, während reine Gelatinehydrogele dies nicht taten. Im Hinblick auf die Verarbeitung der dargestellten Materialsysteme mittels Inkjet-Druckverfahren wurde die Viskosität der Hydrogelprecursorlösungen untersucht. Lösungen unmodifizierter und niedrig methacrylierter Gelatine mit Massenanteilen >= 10 Gew.-% gelierten bei 25 °C und besaßen selbst bei 37 °C Viskositäten > 10 mPa s, die für kommerzielle Inkjet-Druckköpfe zu hoch sind. Dahingegen wiesen Lösungen hoch methacrylierter Gelatine bei 37 °C und 25 °C bis zu Konzentrationen von 15 Gew.-% Inkjet-druckbare Viskositäten < 10 mPa s auf. Die zusätzliche Acetylierung der Gelatinederivate mit niedrigem Methacrylierungsgrad bewirkte eine Maskierung noch vorhandener freier Aminogruppen, ohne dass sich der Gehalt an vernetzbaren Methacrylgruppen änderte. Durch die daraus resultierende Reduktion der inter- und intramolekularen Wechselwirkungen der Gelatinemakromonomere konnten auch diese Lösungen zu Inkjet-druckbaren Biotinten formuliert werden. Die Doppelfunktionalisierung mit Acetyl- und Methacrylgruppen ermöglichte damit die Formulierung von Gelatine-basierten Inkjet-Biotinten mit einer großen Bandbreite der Quellbarkeit und der Festigkeit der resultierenden Hydrogele. Die dargestellten Materialsysteme wurden als Biotinten mit einem piezoelektrischen Mikrodosiersystem verarbeitet. Dabei konnte bei einer Drucktemperatur von 25 °C ein stabiler Druckprozess etabliert werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine solche Verarbeitung für Chondrozyten zytokompatibel ist. In der vorliegenden Arbeit gelang damit die Formulierung von Biopolymer-basierten Biotinten für das Inkjet-Bioprinting mit lebenden Säugerzellen. Diese Biotinten können zu Hydrogelen vernetzt werden, deren mechanische Eigenschaften verschiedenen nativen Geweben entsprechen. Die dargestellten Materialsysteme besitzen damit ein hohes Potenzial für den Aufbau funktionaler Gewebemodelle, wie zum Beispiel hyaliner Knorpel, mit biomimetischer Kompartimentierung und Mikrostruktur.