Dissertationen zum Thema „Elektrospinin“

Electrospininig se osvědčil jako jeden z nejpopulárnějších a nejrozšířenějších způsobů výroby vysoce kvalitních vláken s požadovanými parametry. Kvalita a morfologie vyráběných vláken závisí na mnoha parametrů, jako je vlhkost, dávka materiálu, aplikované napětí atd. Omezení keramických piezomateriálů (křehkost, toxicita vzorků obsahujících olovo, obtížnost přípravy složitých tvarů atd.) vynutila výzkum v oblasti piezoelektrických polymerů. Jedním z nich je polyvinylidenfluorid (PVDF). polyvinylidenfluorid může by být připraven v různých formách: tenké filmy, objemové vzorky, vlákna. PVDF vlákna přitahují největší pozornost díky vysoké flexibilitě, nízké hmotnosti, mechanické stabilitě a chemické inertnosti. Vlastnosti PVDF vláken lze zlepšit pomocí doplňujících materiálů: keramické částice, kovové nanočástice, Graphicitové materiály jako jsou oxid Graphicenu nebo uhlíkové nanotrubičky (CNT).

Nanofibrous mats are interesting scaffold materials for biomedical applications like tissue engineering due to their interconnectivity and their size dimension which mimics the native cell environment. Electrospinning provides a simple route to access such fiber meshes. This thesis addresses the structural and functional control of electrospun fiber mats. In the first section, it is shown that fiber meshes with bimodal size distribution could be obtained in a single-step process by electrospinning. A standard single syringe set-up was used to spin concentrated poly(ε-caprolactone) (PCL) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) solutions in chloroform and meshes with bimodal-sized fiber distribution could be directly obtained by reducing the spinning rate at elevated humidity. Scanning electron microscopy (SEM) and mercury porosity of the meshes suggested a suitable pore size distribution for effective cell infiltration. The bimodal fiber meshes together with unimodal fiber meshes were evaluated for cellular infiltration. While the micrometer fibers in the mixed meshes generate an open pore structure, the submicrometer fibers support cell adhesion and facilitate cell bridging on the large pores. This was revealed by initial cell penetration studies, showing superior ingrowth of epithelial cells into the bimodal meshes compared to a mesh composed of unimodal 1.5 μm fibers. The bimodal fiber meshes together with electrospun nano- and microfiber meshes were further used for the inorganic/organic hybrid fabrication of PCL with calcium carbonate or calcium phosphate, two biorelevant minerals. Such composite structures are attractive for the potential improvement of properties such as stiffness or bioactivity. It was possible to encapsulate nano and mixed sized plasma-treated PCL meshes to areas > 1 mm2 with calcium carbonate using three different mineralization methods including the use of poly(acrylic acid). The additive seemed to be useful in stabilizing amorphous calcium carbonate to effectively fill the space between the electrospun fibers resulting in composite structures. Micro-, nano- and mixed sized fiber meshes were successfully coated within hours by fiber directed crystallization of calcium phosphate using a ten-times concentrated simulated body fluid. It was shown that nanofibers accelerated the calcium phosphate crystallization, as compared to microfibers. In addition, crystallizations performed at static conditions led to hydroxyapatite formations whereas in dynamic conditions brushite coexisted. In the second section, nanofiber functionalization strategies are investigated. First, a one-step process was introduced where a peptide-polymer-conjugate (PLLA-b-CGGRGDS) was co-spun with PLGA in such a way that the peptide is enriched on the surface. It was shown that by adding methanol to the chloroform/blend solution, a dramatic increase of the peptide concentration at the fiber surface could be achieved as determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Peptide accessibility was demonstrated via a contact angle comparison of pure PLGA and RGD-functionalized fiber meshes. In addition, the electrostatic attraction between a RGD-functionalized fiber and a silica bead at pH ~ 4 confirmed the accessibility of the peptide. The bioactivity of these RGD-functionalized fiber meshes was demonstrated using blends containing 18 wt% bioconjugate. These meshes promoted adhesion behavior of fibroblast compared to pure PLGA meshes. In a second functionalization approach, a modular strategy was investigated. In a single step, reactive fiber meshes were fabricated and then functionalized with bioactive molecules. While the electrospinning of the pure reactive polymer poly(pentafluorophenyl methacrylate) (PPFPMA) was feasible, the inherent brittleness of PPFPMA required to spin a PCL blend. Blends and pure PPFPMA showed a two-step functionalization kinetics. An initial fast reaction of the pentafluorophenyl esters with aminoethanol as a model substance was followed by a slow conversion upon further hydrophilization. This was analysed by UV/Vis-spectroscopy of the pentaflurorophenol release upon nucleophilic substitution with the amines. The conversion was confirmed by increased hydrophilicity of the resulting meshes. The PCL/PPFPMA fiber meshes were then used for functionalization with more complex molecules such as saccharides. Aminofunctionalized D-Mannose or D-Galactose was reacted with the active pentafluorophenyl esters as followed by UV/Vis spectroscopy and XPS. The functionality was shown to be bioactive using macrophage cell culture. The meshes functionalized with D-Mannose specifically stimulated the cytokine production of macrophages when lipopolysaccharides were added. This was in contrast to D-Galactose- or aminoethanol-functionalized and unfunctionalized PCL/PPFPMA fiber mats.
Biofunktionale Materialien gewinnen immer größere Bedeutung in biomedizinischen Anwendungen wie dem künstlichen Ersatz von Knochen oder Blutgefässe. Weiterhin können diese Stoffe nützlich sein, um die Wechselwirkung zwischen Biomaterialien und biologischen Systemen wie Zellen oder Organismen weiter zu erforschen. In diversen Studien konnten Größen wie dreidimensionaler Strukturaufbau, Oberflächentopographie, Mechanik und die Funktionalisierung mit bioaktiven Substanzen als Einflussfaktoren identifiziert werden, welche auf verschiedenen Größenskalen von makroskopisch bis nanoskopisch untersucht wurden und gegenwärtig erforscht werden. Bioinspiriert von Kollagenfasern, die als Strukturmotiv an verschieden Orten im menschlichen Körper vorkommen (z.B. extrazelluläre Matrix) konnte gezeigt werden, dass Fasermatten, die eine ähnliche Größendimensionen wie die vorher erwähnten Kollagenfasern (Ø ~ 500 nm) aufweisen, eine aussichtsreiche Gerüstmatrix darstellen. Eine einfache Methode Fasermatten in diesen Dimensionen herzustellen ist Elektrospinning, wobei typischerweise eine viskose Polymerlösung durch anlegen eines Hochspannungsfeldes verstreckt wird. Obwohl auf diese Weise hergestellte Fasermatten für gewisse Zelllinien eine ideale Zellwechselwirkung aufweisen, ist die Zellbesiedelung solcher Netzwerke, bedingt auch durch die kleinen Porendurchmesser, problematisch und bedarf meistens weiterer Prozessierungsschritte. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der einfachen Herstellung von strukturel und funktional kontrollierten Fasersystem mittels Elektrospinning. Der erste Teil behandelt ein Einschrittverfahren zum Elektrospinnen von bimodalen Fasermatten bestehend aus Nano- und Mikrofasern. In Zellstudien mit Epithelzellen konnte gezeigt werden, dass solche Netzwerke tiefer besiedelt werden als Matten bestehend aus unimodalen 1.5 μm dicken Fasern. Des Weiteren wurden diese Fasermatten für fasergerichtete Kristallisation von Kalziumcarbonat und – phosphat benutzt. In einem zweiten Teil wurden 2 Strategien für die Faserfunktionalisierung mit Peptiden und Zuckermolekülen entwickelt. Zum einen wurde gezeigt, dass funktionale Peptidfasern durch Verspinnung einer Mischung von einem Peptid-Polymer-Konjugat mit einem kommerziellen Polymer hergestellt werden konnten. Zusätzlich wurde ein modularer Ansatz für die Herstellung von reaktiven Fasern ausgearbeitet, die anschließend mit Peptiden oder Zuckern funktionalisiert wurden. Die Bioaktivität der Zucker funktionalisierten Fasern konnte durch Zellversuche erfolgreich bestätigt werden.

The presented dissertation thesis deals with the polymer polyhydroxybutyrate and other biopolymers as a basic building block for the construction of micro- and nanoscopic structures and materials used in food and cosmetics. In the theoretical part, current literary review is prepared to introduce the basics of this application field. The practical part of the work is composed of three blocks developed during the doctoral study. In the first and most important part are summarized comments to the academic and patent outputs, where among the academic ones it is possible to find two peer-reviewed articles dealing with the electrostatic and wet spinning of PHB and properties of prepared materials. The patent outputs consist of several accepted and applied projects, which summarize results on both PHB spinning methods, but also on general approaches enabling the processing of PHB into forms enabling many applications in food and cosmetics. Second part was focused on the patented composition of the UV protection cream based on the prepared nanoscopic and micro- morphologies of PHB. The third block summarizes results focused predominantly on the electrostatic spinning of PHB and other biopolymers. Finally, a short chapter containing a brief description of projects that were in a way related to the dissertation topic, but rather practical development work in Central Tanzania and West Africa, which draw on knowledge and contacts gained during studies at FCH BUT Brno.

Funkcionalni materijali na osnovu elektrospinovanih nanovlakana nalaze sve veću primenu u raznim oblastima industrije: biomedicina, farmacija, senzori, filrtacija, ambalaža itd. Elektrospining tehnika je jedna od metoda za dobijanje materijala na osnovu nanovlakana iz polimernih rastvora korišćenjem visokog napona. Korišćenje elekrospining tehnike ima brojne prednosti u odnosu na konvencionalne tehnike, pre svega zbog lakoće inkorporacije aktivne komponente u polimernu matricu, a i specifične morfologije i 3D strukture, jer usled nanometarskih dimenzija, vlakna imaju veliki odnos specifične površine i zapremine i poroznosti, samim tim veliku kontaktnu površinu sa supstratima, reaktivnim agensima i mikroorganizmima. Zbog proizvodnje materijala na nanonivou, aktivna komponenta se fino dispergije u polimernoj matrici i time se obezbeđuje bolja aktivnost ovih materijala. Za razliku od konvencionalnih filmova, funkcionalni materijali na osnovu elektrospinovanih nanovlakana su aktivni po celoj zapremini. Cilj ove doktorske disertacije bio je optimizicija procesnih parametara elektrospininga i validacija aktivnosti funkcionalnih materijala za različite primene, što je postignuto pravilnim odabirom materijala i aktivnih komponenti, optimizacijom sastava materijala, karakterizacijom materijala adekvatnim metodama i validacijom aktivnosti materijala. Razvijeni su materijali za primenu u oblasti kozmetike, ambalaže, filtracije, senzora, stomatologije i provodnih materijala, čija je aktivnost verifikovana u laboratorijskim uslovima (TRL 4).
Functional materials based on electrospun nanofibers are increasingly used in various fields of industry: biomedicine, pharmacy, sensors, filtration, packaging, etc. Electrospining technique is one of the methods for obtaining nanofibers from polymer solutions using high voltage. The use of electrospinning technique has many advantages over conventional techniques, primarily because of the ease of incorporation of the active component into the polymer matrix, as well as the specific morphology and 3D structure, because due to the nanometer dimensions, the fibers have a large ratio of specific surface area to volume and porosity, and thus a high contact surface with substrates, reactive agents, and microorganisms. Due to the production of materials at the nanoscale, the active component is finely dispersed within the polymer matrix, thereby ensuring better activity of these materials. Unlike conventional films, functional materials based on electrospinned nanofibers are active throughout the volume. The aim of this PhD thesis was to optimize the electrospining process parameters and validate the activity of functional materials for various applications, which was achieved by proper selection of materials and active components, optimization of material composition, characterization of materials by appropriate methods and validation of material activity. Materials have been developed for use in the fields of cosmetics, packaging, filtration, sensors, dentistry and conductive materials, the activity of which has been verified under laboratory conditions (TRL 4).

The electrospinning process of polymer solutions is affected by many different parameters that can be divided into solution parameters, process parameters, and ambient parameters. This study is focused on characteristics of a polymer and its solution, which are ranging into the solution parameters. The aim of this study is to compare poly(ethylene oxide) characteristics in the relation to electrospinning of hyaluronic acid, to find the difference between them using available analytic, thermic and spectral methods, and to define the influence of properties on polymeric solutions behavior during electrospinning. It was find that poly(ethylene oxides) obtained from two different sources behave differently in an electrostatic field, although their molar mass is declared as the same. It was also confirmed that the electrospinning process of polymeric solutions is affected mainly by their viscosity and conductivity. This two properties are determined especially by the molar mass of polymer and also by the content of impurities or content of some another polymer during electrospinning of mixed solution.

Poröse Materialien sind für eine Vielzahl industrieller, aber auch alltäglicher Prozesse essentiell und daraus nicht mehr wegzudenken. So erstrecken sich die Anwendungen von einfachen, auf Aktivkohle basierenden Wasserfiltern in Heimaquarien, über Zeolithe in selbstkühlenden Bierfässern bis hin zu weltweit genutzten, großtechnischen Verfahren in der Abtrennung von Schadstoffen aus Luft und Wasser. Außerdem werden poröse Materialien als Katalysatoren in Prozessen eingesetzt, die eine Grundlage der Konsumgüterproduktion der heutigen Gesellschaft bilden. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl neuer hochporöser Verbindungen entwickelt, wobei besonders in den letzten Jahren polymerbasierten Adsorbentien ein gesteigertes Interesse galt. Diese organischen Gerüstverbindungen zeichnen sich durch eine große strukturelle und funktionelle Vielfalt aus, die auf den modularen Aufbau aus multifunktionellen organischen Einheiten (Linker) und verknüpfenden Gruppen (Knoten, Konnektoren) zurückzuführen ist. Neben ihrer homogenen Oberflächenchemie weisen diese Materialien signifikant hydrophobere Oberflächen als herkömmliche Adsorbentien, wie z.B. Aktivkohlen, auf. Dadurch sind die organischen Gerüstverbindungen bestens geeignet, um unpolare organische Komponenten aufgrund attraktiver Wechselwirkung adsorptiv zu binden. Entsprechende Verfahren gewinnen immer stärker an Bedeutung, um z.B. hochtoxische flüchtige organische Verbindungen (VOCs – volatile organic compounds) aus Luft und Wasser durch entsprechende Filter zu entfernen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze verfolgt, um neuartige organische Gerüstverbindungen herzustellen, die sich durch o.g. unpolare innere Oberflächen auszeichnen (Abbildung 1). Dazu fanden verschiedene synthetische Konzepte Anwendung. Zum einen wurden multifunktionelle organische Linker durch Lithiierung zu starken Nukleophilen umgesetzt, die anschließend über alkylsubstituierte Konnektoren auf Silanbasis vernetzt werden konnten. Durch diese aliphatische Funktionalisierung der Materialien EOF-10 bis -14 (EOF – element organic framework) konnte die Oberflächenpolarität gegenüber vergleichbaren Gerüstverbindungen signifikant gesenkt werden, was wiederum die Wechselwirkungen mit unpolaren Substanzen erhöht. Weiterhin stand die Herstellung und Charakterisierung poröser Polymere über die palladiumkatalysierte Suzuki-Kupplung im Vordergrund, bei der die Linker über die C-C-Verknüpfungsreaktion direkt gebildet und dadurch polare Gruppen an den Konnektoren vermieden werden konnten (EOF-6 bis -9). Diese Verbindungen erreichen spezifische Oberflächen von bis zu 1380 m2g-1 und adsorbieren signifikant größere Mengen des unpolaren Gases n-Butan als weniger polare Aktivkohlen mit vergleichbar großer Oberfläche. Ein dritter Ansatz zur Synthese unpolarer Adsorbentien war die Herstellung von Polyphenylenen über die Cyclotrimerisierung multifunktioneller Acetylverbindungen. Die resultierenden porösen, stark unpolaren Polymere OFC-1 bis -4 (OFC – organic framework by cyclotrimerization), die jeweils über zwei verschiedene Syntheserouten in Lösung bzw. in einer lösungsmittelfreien Schmelze hergestellt werden konnten, wurden durch postsynthetische Funktionalisierung anwendungsspezifisch modifiziert. Außerdem wurden verschiedene Verarbeitungsmöglichkeiten zu monolithischen und textilen Adsorbern über die Syntheseroute aus der Schmelze untersucht. Neben der Herstellung hydrophober Adsorbentien ermöglicht der modulare Aufbau organischer Gerüstverbindungen die Immobilisierung katalytisch aktiver molekularer Spezies. Über die zwei erstgenannten Syntheserouten konnten poröse Netzwerke hergestellt werden, die großes Potential für Anwendungen als heterogene Katalysatoren in bisher überwiegend homogen geführten Prozessen aufweisen (Abbildung 1). So wurde ein hochvernetztes, poröses zinnorganisches Polymer (EOF-3) synthetisiert, dessen katalytische Aktivität in der Cyanosilylierung von Benzaldehyd gezeigt wurde. Dieses Material ist besonders für Ver- und Umesterungsreaktionen in der Oleochemie von Interesse, da derartige Reaktionen überwiegend homogen katalysiert werden. Des Weiteren ermöglichte die Suzuki-Kupplung als Verknüpfungsreaktion den Einbau eines bifunktionellen Imidazoliumlinkers in offenporige, hochvernetzte Polymere (EOF-15/-16). Durch Deprotonierung der Imidazoliumeinheiten wurden N-heterocyclische Carbene (NHC) erzeugt, deren katalytische Aktivität in der Organokatalyse in Kombination mit einer heterogenen Reaktionsführung gezeigt werden konnte. Neben der Entwicklung neuartiger organischer Gerüstverbindungen für Anwendungen als hydrophobe Adsorber und heterogene Katalysatoren behandelte die Dissertation die Verarbeitung poröser Materialien (Abbildung 1). Diese fallen in den meisten Fällen in Form feiner Pulver an, was in Abhängigkeit des Anwendungsgebietes zu Problemen führen kann. Speziell für Filteranwendungen ist eine gute Zugänglichkeit des Porensystems durch eine feine Verteilung der adsorptiven Komponente notwendig. Dafür eignen sich Kompositmaterialien aus porösen Pulvern und Fasern. Eine Alternative stellt die Herstellung von Fasermaterialien mit intrinsischer Porosität dar. Beide Ansätze wurden im Rahmen dieser Arbeit aufgegriffen. Über die Methode des elektrostatischen Spinnens können Vliese extrem feiner Fasern nahezu aller Polymere hergestellt werden. Auch die Produktion von Kompositfasern ist bekannt. Bislang gibt es allerdings sehr wenige Arbeiten zur Herstellung poröser Fasermaterialien über diese Methode. Die Verarbeitung metallorganischer Gerüstverbindungen als Modellsubstanzen über Elektrospinnen zu porösen Kompositfasern wurde untersucht. Es konnten Beladungen von bis zu 80 Gew.-% der porösen Materialien in den Kompositfasern erreicht werden, ohne dass die Porensysteme durch den polymeren Binder blockiert wurden. Weiterhin erfolgte die Verarbeitung von Polycarbosilan, einem polymeren Precursor für keramische Materialien, über Elektrospinnen zu feinen Fasern. Diese wurden durch Pyrolyse zu SiC-Fasern und durch anschließende extraktive Entfernung der Siliziumatome durch Chlorierung zu porösen CDC-Fasern (CDC – carbide-derived carbon) mit außerordentlichen Adsorptionseigenschaften umgesetzt.

Předkládaná disertační práce se zabývá přípravou a charakterizací nových biokompatibilních nanovláken s potenciální aplikací v medicíně. V této práci byl výběr jednotlivých složek pro přípravu nanovlákenného materiálu zvolen tak, aby vyhovoval nárokům tkáňového inženýrství. Literární rešerše shrnuje poznatky o elektrostatickém zvlákňování a o jeho parametrech. Dále se věnuje možnostem elektrostatického zvlákňování proteinů kolagenu a želatiny a jejich směsmi se syntetickými polymery a biopolymery a anorganickými plnivy. Teoretická část řeší také různé postupy síťování nanovláken vedoucí ke zlepšení jejich hydrolytické stability a mechanických vlastností. Poslední část je zaměřena na anorganické nanotrubky halloysitu (HNT), které získaly svou pozornost díky svým vynikajícím fyzikálním a biologickým vlastnostem. V experimentální části byly zpracovány dvě případové studie, z nichž každá se zabývá přípravou nanovlákenných biomateriálů s potenciální aplikací v medicíně. První studie je zaměřena na přípravu a charakterizaci nových hydrolyticky stabilních antibakteriálních želatinových nanovláken modifikovaných pomocí oxidované celulózy. Unikátní inhibiční účinky nanovláken byly testovány na kmenu bakterie Escherichia coli pomocí metody chemické bioluminiscence. Kultivované buňky lidského papilárního adenokacinomu plic prokázaly dobrou adhezi a proliferaci k povrchu nanovláken. Druhá část popisuje vliv zdroje a množství anorganických halloysitových nanotrubek na strukturu a vlastnosti amfifilních nanovláken ze směsi želatiny a syntetického polykaprolaktonu. Přídavek HNT zlepšil tepelnou stabilitu, mechanické vlastnosti (jak tuhost, tak prodloužení) a snížil krystalinitu nanovláken. HNT z různých zdrojů neměl vliv na chování buněk, ale mírně ovlivnil proliferaci a životaschopnost buněk na povrchu nanovláken.

In order to improve the purity of steel castings, the use of special reactive coatings on carbon-bonded ceramic foam filters was explored. Carbon nanotubes were dispersed in water by means of ultrasonic treatment, using xanthan gum to stabilize the nanotubes in suspension and control the rheological behavior. The coatings were applied by cold spraying and binding was achieved during heat treatment in reducing atmosphere, thanks to an artificial pitch added to the slurry. The coated filters were successfully immersed in molten steel for different times. The thickness of the first alumina layer generated at the interface was independent of the immersion time: concentration gradients through its thickness suggested that the formation of this structure is limited by diffusion. Investigation of the steel after solidification by means of ASPEX showed that the presence of the coating influenced the size as well as the chemical composition of the remaining inclusions. Nano-coated filters had the best filtration efficiency (up to 95% for alumina inclusions after 10 s), but longer tests resulted in worse performance. In addition, coatings based on calcium aluminates in combination with carbon showed an efficiency greater than 97% for steel samples taken directly from the melt.

This diploma thesis is dealing of fluds filtration and using nanotextiles materials. Whis is made throught the electrospining methods usage for the filtrations of fuel. In the opening issues problemations of filration of motor Diesel. In the experimental part, analyses are carried out of the chosen nanotextilie materials for the filtration of motor and Bio Diesel. The results of liquid predicate the potential usage nanotextiles materials for the results cleaning motor and Bio Diesel. Experiments showes the hight results of filtration nanotextiles materials which is depand of modern Diesel injection systems.

Die Biofabrikation ist ein junges und sehr dynamisches Forschungsgebiet mit viel Potential. Dieses Potential spiegelt sich unter anderem in den ambitionierten Zielen wieder, die man sich hier gesetzt hat. Wissenschaftler in diesem Gebiet wollen eines Tages beispielsweise funktionale menschliche Gewebe nachbilden, die aus patienteneigenen Zellen bestehen. Diese Gewebe sollen entweder für die Testung neuer Arzneimittel und Therapien oder sogar als Implantate einsetzt werden. Der Schlüssel zum Erfolg soll hier die Verwendung automatisierter Prozesse in Verbindung mit innovativen Materialien sein, die es ermöglichen, die Hierarchie und Funktion des zu ersetzenden natürlichen Gewebes nachbilden. Obwohl in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht worden sind, gibt es immer noch Hürden, die überwunden werden müssen. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die derzeit eingeschränkte Auswahl kompatibler Materialien für die Biofabrikation zu erweitern und bereits etablierte Verfahren wie den extrusionsbasierten Biodruck noch besser verstehen zu lernen. Auch neue Verfahren, wie etwa das Melt Electrospinning Writing (MEW) sollten etabliert werden. In Kapitel 3 dieser Arbeit wurde das MEW dazu verwendet, tubuläre Strukturen zu fertigen, die sich aus Polymerfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von nur etwa 12 μm zusammensetzen. Die mit Hilfe von Druckluft in Verbindung mit einer hohen elektrischen Spannung aus einer Nadelspitze austretende Polymerschmelze wurde hierbei auf zylinderförmigen Kollektoren mit Durchmessern zwischen 0.5 und 4.8mm gesammelt. Auf diese Weise wurden röhrenförmige Faserkonstrukte generiert. Das Hauptaugenmerk lag auf dem Einfluss des Durchmessers, der Rotations- und Translationsbewegung des Kollektors auf die Morphologie der Faserkonstrukte. Hierzu wurden die Fasern erst auf unbewegten Kollektoren mit unterschiedlichen Durchmessern gesammelt und die entstehenden Muster analysiert. Es zeigte sich, dass das Fasermuster mit zunehmendem Durchmesser des Kollektors mehr den symmetrischen Konstrukten mit runder Grundfläche glich, die auch von flachen Kollektoren bekannt sind. Je kleiner der Kollektordurchmesser wurde, desto ovaler wurde die Grundfläche der Muster, was den Einfluss der Krümmung deutlich machte. In weiteren Experimenten wurden die zylindrischen Kollektoren mit Geschwindigkeiten von 4,2 bis 42 Umdrehungen pro Minute um ihre Längsachse gedreht. Die von flachen Kollektoren bekannten Übergänge der Fasermorphologie konnten auch für runde Kollektoren bestätigt werden. So änderte sich die Morphologie mit zunehmender Geschwindigkeit der Oberfläche von einer achterförmigen Gestalt über eine sinusförmige Ausrichtung der Fasern hin zu einer geraden Linie. Der Einfluss des Kollektordurchmessers wurde auch hier deutlich, da sich etwa die Amplitude der bei Rotationsgeschwindigkeiten im Bereich sinusförmiger Ausrichtung abgelegten Fasern mit abnehmendem Radius erhöhte. Im nächsten Schritt wurde neben der Rotation der Kollektoren auch eine Translation induziert. Durch geeignete Kombination von Rotation und Translation konnten Konstrukte mit definiertem Wickelwinkel hergestellt werden. Es zeigte sich, dass die Wiedergabe des vorher kalkulierten Winkels unter Verwendung von Oberflächengeschwindigkeiten, die nahe am Übergang zur geraden Faserausrichtung waren, am besten war. Im Rahmen dieser Arbeit konnten Winkel zwischen 5 und 60° mit hoher Präzision wiedergegeben werden. Im Falle von sich wiederholenden Mustern konnte auch in Bezug auf die Stapelbarkeit der Fasern aufeinander eine hohe Präzision erreicht werden. Kapitel 4 dieser Arbeit befasste sich mit dem extrusionsbasierten 3D-Druck. Das etabliere Verfahren wurde auf eine bisher wenig untersuchte Materialzusammensetzung von Nanopartikeln-beladenen Hydrogeltinten ausgeweitet. Die Tinte bestand aus einer Kombination von funktionalisierten Polyglyzidolen und einer unmodifizierten langkettingen Hyaluronsäure. Dieser wurden mesoporöse Silika-Nanopartikel mit unterschiedlicher Ladung zugesetzt und deren Freisetzung aus gedruckten Konstrukten mit einstellbarer Geometrien untersucht. Da die Hyaluronsäure selbst negativ geladen ist, wurde erwartet und auch gezeigt, dass aminofunktionalisierte Partikel mit positiver Ladung langsamer freigesetzt werden als carboxylfunktionalisierte Partikel mit negativer Ladung. Interessanterweise änderten die Partikel nicht die rheologischen Eigenschaften der Tinte und es konnten Hydrogele, die mit positiv geladenen Partikeln beladen waren, bei den gleichen Druckparametern verdruckt werden, wie Hydrogele, die mit negativ geladenen Partikeln beladen waren. Die guten Druckeigenschaften der Tinten ermöglichten die präzise Fertigung von Konstrukten mit einer Größe von 12x12x3mm^3, also von Konstrukten mit bis zu 16 aufeinanderfolgenden Lagen. Die Strangdurchmesser betrugen hierbei 627±31μm und die Verteilung der Partikel innerhalb der Stränge war sehr homogen. Zudem konnten auch Strukturen gedruckt werden, bei denen beide Tintenarten, mit positiven und mit negativen Partikeln beladene Hydrogele, in einem Konstrukt kombiniert wurden. Hierbei zeigte sich, dass die Freisetzung der Partikel, die über 6 Wochen hinweg untersucht wurde, auch stark von der Geometrie der zwei-Komponenten-Konstrukte abhing. Insbesondere die Auswirkung des direkten Kontakts zwischen den Komponenten innerhalb eines Konstruktes war hier sehr deutlich. Wurden die Stränge über Kreuz aufeinander abgelegt und hatten direkten Kontakt an den Kreuzungspunkten, konnte beobachtet werden, dass die positiv geladenen Partikel aus ihrem System in das mit den negativ geladenen Partikeln wanderten. Wurden die Stränge ohne direkten Kontakt parallel nebeneinander abgelegt, wurden die positiv geladenen Partikel in umgebendes Medium freigesetzt, konnten aber selbst nach 6 Wochen nicht in den Strängen mit den negativ geladenen Partikeln nachgewiesen werden. Dies verdeutlicht, dass Geometrie und Ladung der Partikel einen Einfluss auf die Freisetzung der Partikel hatten und sich die Freisetzung der Partikel durch eine geschickte Kombination beider Parameter steuern lässt. In Kapitel 5 dieser Arbeit wurde eine neue Materialklasse als Biotinte für den extrusionsbasierten Biodruck untersucht. Bei dem Material handelte es sich um Hydrogele auf Basis rekombinanter Spinnenseidenproteine. Diese konnten ab einer Proteinkonzentration von 3 %Gew./Vol. ohne die Verwendung von Verdickungsmittel oder anderen Additiven und auch ohne eine nachträgliche Vernetzung verdruckt werden. Sowohl Hydrogele auf Basis des rekombinanten Proteins eADF4(C16) als auch eine mit einer RGD-Sequenz versehene Modifikation (eADF4(C16)-RGD) konnten mit einer hohen Formtreue verdruckt werden. Die RGD-Sequenz zeigte einen positiven Effekt auf das Anhaften von humanen Fibroblasten, die auf gedruckte Konstrukte ausgesät wurden. Zudem konnten mit Hilfe der Hydrogele auch zellbeladene Konstrukte gefertigt werden. Hierzu wurden die Hydrogele mit einer Zellsuspension so vermengt, dass eine finale Konzentration von 1,2 Millionen Zellen/ml erreicht wurde. Die beladenen Gele wurden verdruckt und es konnte eine Überlebensrate von 70,1±7,6% nachgewiesen werden. Das in diesem Kapitel etablierte Materialsystem ermöglichte zum ersten Mal das Verdrucken lebender Zellen in einer neuen Klasse von Tinten, die weder die Beimengung von Verdickungsmittel noch einen zusätzlichen Nachhärtungsschritt für die Herstellung zellbeladener stabiler Konstrukte benötigt
Biofabrication is an advancing new research field that might, one day, lead to complex products like tissue replacements or tissue analogues for drug testing. Although great progress was made during the last years, there are still major hurdles like new types of materials and advanced processing techniques. The main focus of this thesis was to help overcoming this hurdles by challenging and improving existing fabrication processes like extrusion-based bioprinting but also by developing new techniques. Furthermore, this thesis assisted in designing and processing materials from novel building blocks like recombinant spider silk proteins or inks loaded with charged nanoparticles. A novel 3D printing technique called Melt Electrospinning Writing (MEW) was used in Chapter 3 to create tubular constructs from thin polymer fibers (roughly 12 μm in diameter) by collecting the fibers onto rotating and translating cylinders. The main focus was put on the influence of the collector diameter and its rotation and translation on the morphology of the constructs generated by this approach. In a first step, the collector was not moving and the pattern generated by these settings was analyzed. It could be shown that the diameter of the stationary collectors had a big impact on the morphology of the constructs. The bigger the diameter of the mandrel (smallest collector diameters 0.5 mm, biggest 4.8 mm) got, the more the shape of the generated footprint converged into a circular one known from flat collectors. In a second set of experiments the mandrels were only rotated. Increasing the rotational velocity from 4.2 to 42.0 rpm transformed the morphology of the constructs from a figure-of-eight pattern to a sinusoidal and ultimately to a straight fiber morphology. It was possible to prove that the transformation of the pattern was comparable to what was known from increasing the speed using flat collectors and that at a critical speed, the so called critical translation speed, straight fibers would appear that were precisely stacking on top of each other. By combining rotation and translation of the mandrel, it was possible to print tubular constructs with defined winding angles. Using collections speeds close to the critical translation speed enabled higher control of fiber positioning and it was possible to generate precisely stacked constructs with winding angles between 5 and 60°. In Chapter 4 a different approach was followed. It was based on extrusion-based bioprinting in combination with a hydrogel ink system. The ink was loaded with nanoparticles and the nanoparticle release was analyzed. In other words, two systems, a printable polyglycidol/hyaluronic acid ink and mesoporous silica nanoparticles (MSN), were combined to analyze charge driven release mechanism that could be fine-tuned using bioprinting. Thorough rheological evaluations proved that the charged nanoparticles, both negatively charged MSN-COOH and positively charged MSN-NH2, did not alter the shear thinning properties of the ink that revealed a negative base charge due to hyaluronic acid as one of its main components. Furthermore, it could be shown that the particles did also not have a negative effect on the recovery properties of the material after exposure to high shear. During printing, the observations made via rheological testing were supported by the fact that all materials could be printed at the same settings of the bioprinter. Using theses inks, it was possible to make constructs as big as 12x12x3 mm3 composed of 16 layers. The fiber diameters produced were about 627±31 μm and two-component constructs could be realized utilizing the two hydrogel print heads of the printer to fabricate one hybrid construct. The particle distribution within those constructs was homogeneous, both from a microscopic and a macroscopic point of view. Particle release from printed constructs was tracked over 6 weeks and revealed that the print geometry had an influence on the particle release. Printed in a geometry with direct contact between the strands containing different MSN, the positively charged particles quickly migrated into the strand previously containing only negatively charged MSN-COOH. The MSN-COOH seemed to be rather released into the surrounding liquid and also after 6 weeks no MSN-COOH signal could be detected in the strand previously only containing MSN-NH2. In case of a geometry without direct contact between the strands, the migration of the positively charged nanoparticles into the MSN-COOH containing strand was strongly delayed. This proved that the architecture of the printed construct can be used to fine-tune the particle release from nanoparticle containing printable hydrogel ink systems. Chapter 5 discusses an approach using hydrogel inks based on recombinant spider silk proteins processed via extrusion-based bioprinting. The ink could be applied for printing at protein concentrations of 3 % w/v without the addition of thickeners or any post process crosslinking. Both, the recombinant protein eADF4(C16) and a modification introducing a RGD-sequence to the protein (eADF4(C16)-RGD), could be printed revealing a very good print fidelity. The RGD modification had positive effect on the adhesion of cells seeded onto printed constructs. Furthermore, human fibroblasts encapsulated in the ink at concentrations of 1.2 million cells per mL did not alter the print fidelity and did not interfere with the crosslinking mechanism of the ink. This enabled printing cell laden constructs with a cell survival rate of 70.1±7.6 %. Although the cell survival rate needs to be improved in further trials, the approach shown is one of the first leading towards the shift of the window of biofabrication because it is based on a new material that does not need potentially harmful post-process crosslinking and allows the direct encapsulation of cells staying viable throughout the print process

Despite advancements of modern medicine, the number of patients with the the end-stage kidney disease keeps growing, and surgical procedures to establish and maintain a vascular access for hemodialysis are rising accordingly. Surgical access of choice remains autogenous arteriovenous fistula, whereas approach “fistula first at all costs” leads to failure in certain subgroups of patients. Modern synthetic vascular grafts fail to deliver long-term results comparable with AV fistula. With all that in mind, this work has an aim of developing a new alternative vascular graft, which can be used for hemodialysis access using the methods of TE, especially electrospinning technique. It is hypothesized that electrospun scaffold, made of PCL and collagen type I may assemble mechanical properties similar to native blood vessels. Seeding such electrospun scaffolds with human microvascular endothelial cells (hmvECs) and preconditioning with shear stress and continuous flow might achieve sufficient endothelial lining being able to resist acute thrombosis. One further topic considered on-site infections, which represents one of the most spread complications of dialysis therapy due to continuous needle punctures. The main hypothesis was that during electrospinning process, polymers can be blended with antibiotics with the aim of producing scaffolds with antimicrobial properties, which could lead to reducing the risk of on-site infection on one side, while not affecting the cell viability
Trotz der Fortschritte in der modernen Medizin wächst die Zahl der Patienten mit Nierenerkrankungen im Endstadium weiter, und die chirurgischen Verfahren zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines Gefäßzugangs für die Hämodialyse nehmen entsprechend zu. Der chirurgische Zugang der Wahl bleibt eine autogene arteriovenöse Fistel, während der Ansatz „Fistel zuerst um jeden Preis“ bei bestimmten Untergruppen von Patienten zum Versagen führt. Moderne synthetische Gefäßtransplantate liefern keine mit AV-Fisteln vergleichbaren Langzeitergebnisse. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, ein neues alternatives Gefäßtransplantat zu entwickeln, das für den Zugang zur Hämodialyse unter Verwendung der TE-Methoden, insbesondere der Elektrospinntechnik, verwendet werden kann. Es wird angenommen, dass ein elektrogesponnenes Gerüst aus PCL und Kollagen Typ I ähnliche mechanische Eigenschaften wie native Blutgefäße aufweisen kann. Die Besiedelung solcher elektrogesponnener Gerüste mit menschlichen mikrovaskulären Endothelzellen (hmvECs) und das Vorkonditionieren mit Scherbeanspruchung und kontinuierlichem Fluss könnte eine ausreichende Endothelialisierung erreichen, um eine akute Thrombose vermeiden zu können. Ein weiteres Thema waren lokale Infektionen, die eine der am weitesten verbreiteten Komplikationen der Dialysetherapie aufgrund kontinuierlicher Nadelstiche darstellen. Die Haupthypothese war, dass Polymere während des Elektrospinnprozesses mit Antibiotika gemischt werden können, um Gerüste mit antimikrobiellen Eigenschaften herzustellen, die dazu führen können, dass das Risiko einer Infektion vor Ort auf einer Seite verringert wird, ohne die Lebensfähigkeit der Zellen zu beeinträchtigen