Herstellung von Gefäßnetzwerken basierend auf formverändernden Polymeren in 3D gedruckten Hydrogelen

• Antragsteller: Professor Dr. Leonid Ionov; Professor Dr. Thomas Scheibel
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427208737

Die additive Fertigung von Biomaterialien mittels dreidimensionalem (3D) Drucken erlaubt es heutzutage biomimetische Gerüststrukturen für Zellen / Gewebe mit hoher Präzision herzustellen. Allerdings ist bislang ein großes Problem beim 3D-Druck von lebenden Zellen und Materialien (= Biofabrikation) die Implementierung von Gefäßstrukturen in dem Konstrukt, um langfristig überlebensfähiges Gewebe herstellen zu können. Die sogenannte 4D Biofabrikation ist eine Erweiterung des 3D-Bioplottings und ermöglicht durch externe Trigger Strukturänderungen mit der Zeit (was die vierte Dimension darstellt). Mit Hilfe der zeitabhängig getriggerten Strukturänderung ist es bereits gelungen, tubuläre Strukturen zu drucken, allerdings entstehen dabei noch keine komplexen vaskulären Netzwerke. In dem beantragten Projekt möchten wir diese Limitation überwinden und vaskulare Netzwerke basierend auf Form-verändernden biokompatiblen Polymeren eingebettet in biofabrizierte 3D Hydrogelgerüste drucken. Die Form-verändernden Polymere ermöglichen die Herstellung von wichtigen Bauelementen für ein Netzwerk: Knicke, sowie Y- und T-Stücke. Die Knick- und Verzweigungsstrukturen werden durch speziell zugeschnittene Doppelschicht-Filme der Form-verändernden Polymere hergestellt, welche es erlauben die Topographie, die Faltungsrichtung, sowie die Reihenfolge der individuellen Faltungsschritte kontrolliert ablaufen zu lassen. Diese Doppelschicht-Filme werden zuerst in ein einbettendes Hydrogel aus Spinnenseide und Zellen gedruckt und erst danach in Form gebracht. Die Ziele des Projekts sind: (i) Herstellung der erforderlichen biokompatiblen Materialien für die Formgebung und den 3D-Druck der Gerüststrukturen; (ii) die Analyse der Formänderung und Etablierung der Methoden diese genau zu kontrollieren; (iii) Einbetten der selbst-rollenden Polymere in 3D-biofabrizierte Spinnenseidengerüste (inkl. Zellen) und Analyse der Einflüsse des Druckens und der Formveränderung auf die Vitalität der Zellen; (iv) in vitro Test der Funktionalität der vaskulären Versorgung im 4D-biofabrizierten Endkonstrukt. Das Projekt kombiniert Materialsynthese mit Materialverarbeitung, auch in Gegenwart von Zellen, und Untersuchungen der zellulären Antwort auf das Material und den Verarbeitungsprozess. Dadurch sollen neue Tools zur Herstellung von vaskulären Netzwerken etabliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen