5D-Click-Druck

Mechanische und funktionelle Gradienten sind Gründe für die Vielzahl von biologischen Strukturen mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Mechanische Gradienten sind räumliche, nahtlose Übergange von weichen zu mechanisch stabilen Strukturen in Materialien mit beachtenswerten mechanischen Eigenschaften. Im Falle der in vivo Zellumgebung, der extra-zellulären Matrix, gibt es nicht nur mechanische, sondern auch funktionelle Gradienten, wie z.B. eine ansteigende Konzentration von bioaktiven Molekülen in einer Dimension. Diese Gradienten spielen eine wichtige Rolle in der Entwicklung von einzelnen Zellen zu Geweben und Organen. Die Nachahmung dieser multidimensionalen Strukturen mittels biokompatibler und formbarer Materialien unter Verwendung einer effektive 3D-Druckmethode ist eine wichtige Herausforderung in der Forschung und Thema dieses Antrags. Die Forschungshypothese ist die Entwicklung einer neuartigen Gradientdruckmethode, mit dem Namen 5D-Click-Druck, durch Kombination von innovativer Drucktechnologie mit neusten funktionellen Materialien und Gelierungsmethoden. Dies wird realisiert mit einer Drucktinte aus funktioneller Nanocellulose und Polyoxazolinen zur Herstellung von 3D- Objekten mit mechanischen (+1D) und funktionellen Gradienten (+1D). Cellulosenanofibrillen und Polyoxazline wurden als Materialien ausgesucht auf Grund ihrer Biokompatibilität, Druckbarkeit und der jeweiligen Ähnlichkeit zu den beiden Hauptbestandteilen der extrazellulären Matrix, den fadenförmigen Proteinen und den nicht faserigen Glykoproteinen. Eine gezielte chemische Funktionalisierung dieser Materialien wird eine spontane Gelierung nach dem Drucken ermöglichen. Dieser Prozess ist biokompatibel und kann auch in Anwesenheit von lebenden Zellen verwendet werden. Die Kombination der beiden funktionalisierten Polymere mit einer neu entwickelten Gradientdrucktechnologie, der Queensland University of Technology (QUT), wird die Herstellung von multidimensionalen Objekten, mit mechanischen und funktionellen Gradienten, ermöglichen. Das QUT in Brisbane (Australien) ist ein führendes Kompetenzzentrum im Bereich 3D-Druck. Das Forschungsvorhaben wird von Prof. Hutmacher betreut werden, ein weltweit führender Wissenschaftler im Gebiet Additive Manufacturing und Direktor des Australian Research Council Industrial Transformation Training Center in Additive Biomanufacturing. Weiterhin, wird A/Prof. Dargaville Antragsteller als Mitbetreuer unterstützen. Während der Rückkehrphase zur Gruppe von Prof. Rosenau an der Universität für Bodenkultur Wien werden gesammeltes Wissen und Erfahrung angewendet, um einen fortschrittlichen Gradient-Drucker am Heiminstitut zu etablieren. Die 5D-Click-Druck Technologie wird im Heiminstitut weiterentwickelt, um komplexe Hydrogele mit verschiedenen Funktionalitäten herzustellen. An Hand dieser Gele werden Charakterisierungstechniken getestet und verglichen, um damit eine ausgereifte Methodik zur Visualisierung von Gradienten in Hydrogelen zu etablieren. 5D-Click-Druck wird die erste effektive und direkte Methode zur Herstellung von formbaren Hydrogelen mit funktionellen und mechanischen Gradienten sein. Die entwickelte Methode wird dazu verwendet werden, komplexe bioinspirierte Gewebemodelle für die biomedizinische Anwendung, und gradierte Membranen für die chromatographische Auftrennung von komplexen Biopolymermischungen, herzustellen.

5D-Click-Druck zur Herstellung von Strukturen mit Mechanischen und Funktionellen Gradient Mechanische und funktionelle Gradienten sind Gründe für die Vielzahl von biologischen Strukturen mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Mechanische Gradienten sind räumliche, nahtlose Übergange von weichen zu mechanisch stabilen Strukturen in Materialien mit beachtenswerten mechanischen Eigenschaften. Im Falle der in vivo Zellumgebung, der extra-zellulären Matrix, gibt es nicht nur mechanische, sondern auch funktionelle Gradienten, wie z.B. eine ansteigende Konzentration von bioaktiven Molekülen in einer Dimension. Diese Gradienten spielen eine wichtige Rolle in der Entwicklung von einzelnen Zellen zu Geweben und Organen. Die Nachahmung dieser multidimensionalen Strukturen mittels biokompatibler und formbarer Materialien unter Verwendung einer effektive 3D-Druckmethode ist eine wichtige Herausforderung in der Forschung und war Thema dieses Projektes. Die Forschungshypothese in diesem Projekt war die Entwicklung einer neuartigen Gradientdruckmethode, mit dem Namen 5D-Click-Druck, durch Kombination von innovativer Drucktechnologie mit neusten funktionellen Materialien und Gelierungsmethoden. Dies wurde mit einer Drucktinte aus funktioneller Nanocellulose, Gelatine und Polyethylenglykol realisiert und ermöglichte die Herstellung von 3D-Objekten mit mechanischen (+1D) und funktionellen Gradienten (+1D). Cellulosenanofibrillen und gelatine-basierte Drucktinten wurden als Materialien ausgesucht aufgrund ihrer Biokompatibilität, Druckbarkeit und der jeweiligen Ähnlichkeit zu den beiden Hauptbestandteilen der extra-zellulären Matrix, den fadenförmigen Proteinen und den nicht faserigen Glykoproteinen. Eine gezielte chemische Funktionalisierung dieser Materialien ermöglichte eine kontrollierbare Gelierung durch UV Vernetzung. Hierzu wurde eine neuartige und selektive Herstellungsmethode von Cellulosenanofibrillen entwickelt. Diese Methode ist vielseitig und ermöglicht eine gezielte Funktionalisierung der Nanofasern mit einer Vielzahl von funktionellen Gruppen. Eine Kombination dieser funktionalisierten Nanofasern mit einer etablierten Biotinte ermöglichte die Herstellung von Hydrogelen mit funktionellen Gradienten, zusätzlich wurde ein mechanischer Gradient durch eine kontrollierte UV Vernetzung eingeführt. Dadurch wurden neue und effektive Methoden zur Herstellung von multidimensionalen Objekten mit mechanischen und funktionellen Gradienten entwickelt. Das Forschungsprojekt wurde im Ausland am QUT in Brisbane (Australien), an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (Deutschland) und während der Rückkehrphase an der Universität für Bodenkultur Wien erfolgreich abgeschlossen.