Neuartige zell-instruktive Hydrogele für laser-basiertes hochauflösendes 3D Drucken

Eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen der heutigen Zeit besteht in der Aufklärung der Mechanismen der Interaktionen von Säugetierzellen mit ihrer umgebenden Matrix. Das aus solcher Forschung gewonnene Wissen hat ein enormes Innovationspotential und würde einer Vielzahl kritischer Bereiche zu Gute kommen, wie der Entwicklung von Pharmaka, der regenerativen Medizin oder dem Studium des Fortschreitens diverser Erkrankungen. Die Möglichkeit die natürlichen Wachstumsbedingungen von Zellen in vitro zu reproduzieren würde derartige Forschung deutlich beschleunigen, indem sie systematische Studien unter wohldefinierten und reproduzierbaren Bedingungen erlaubt. Das Hauptziel dieses Antrages ist die Entwicklung eines "Werkzeugkastens" an Materialien, der die Verwirklichung maßgeschneiderter künstlicher Zellkulturmatrizes in 3D möglich macht. Die Technik der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) wird dabei eingesetzt werden um lebende Zellen beinhaltende Hydrogele nichtinvasiv in 3D zu strukturieren. Das Materialkonzept basiert auf einer Kombination von Naturstoff-basierten (aus Kollagen gewonnen) und synthetischen Poly(2-oxazolin)-basierten (PAOx) Hydrogel-Präkursoren. Diese Verbindungen werden mit reaktiven Gruppen modifiziert werden, die eine radikalische Kettenwachstumspolymerisation eingehen. Zusätzlich zu dieser klassischen (Meth)acrylat-Chemie wird eine neue Generation biokompatibler polymerisierbarer Gruppen basierend auf Vinylestern eingesetzt werden. Parallel dazu werden neue wasserlösliche Photoinitiatoren entwickelt, deren Chromophor auf einem spaltbaren 1,4-Pentazadien-Kern (PADE) basiert. Die so herstellbaren photosensitiven Hydrogele werden die Verwirklichung komplexer Strukturen durch hochauflösenden 3D-Druck mittels 2PP ermöglichen. Die allerwichtigsten Eigenschaften solch innovativer Hybrid-Gele gestalten sich wie folgt: 1) Einstellbare Zelladhäsion und Biodegradationsverhalten; 2) präzise Kontrolle lokaler mechanischer Eigenschaften innerhalb der Strukturen; 3) wohldefiniertes thermoresponsives Verhalten, das einen zusätzlichen unabhängigen Freiheitsgrad im 3D-Druck ermöglicht. Nach anfänglicher Charakterisierung werden diese Materialien eingesetzt werden um Verfahren für ortsaufgelöste Modifikationen zu etablieren und die mechanischen Eigenschaften der produzierten Strukturen auf sub-zellulärem Level in 3D zu steuern indem die Parameter des 2PP- Prozesses entsprechend angepasst werden. Als Machbarkeitsnachweis werden Korrelationen zwischen der Antwort der Stammzellen und den Eigenschaften der Hydrogel-Matrix evaluiert. Die vorgesehenen Entwicklungen werden elegante biologische in vitro-Experimente ermöglichen und dabei helfen die biomimetischen Aspekte der Interaktion von Zellen mit ihrer umgebenden Matrix aufzuklären. Ferner wird die Verfügbarkeit physiologisch relevanter Zellkulturen helfen, die Notwendigkeit von Tierversuchen zu reduzieren.

Das Projekt "Advanced cell-instructive photo-hydrogels for laser-based high-resolution 3D printing" wurde in Zusammenarbeit zwischen der TU Wien (Wien, Österreich), der Universität Gent (Gent, Belgien) und der Vrije Universiteit Brussel (Brüssel, Belgien) durchgeführt. Im Verlauf des Projekts wurden mehrere neuartige lichtempfindliche Formulierungen für biomedizinische Anwendungen entwickelt. Unter anderem ermöglichten diese Materialien hochauflösendes Bioprinting unter Verwendung der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) -Technologie. Die Ergebnisse des Projekts wurden auf mehreren internationalen Konferenzen berichtet und über die von Experten begutachtete Open-Access-Veröffentlichung zur Verfügung gestellt.