Numerical analysis of bioprinting-related shear stress and hydrostatic pressure during acoustic droplet ejection method versus microvalve-based technique and experimental investigation of their effects on epithelial and endothelial cells

Nasehi, Ramin; Fischer, Horst (Thesis advisor); Behr, Marek (Thesis advisor); Leube, Rudolf (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Ziel dieser Arbeit war es, die mechanobiologischen Auswirkungen des Bioprinting-Prozesses auf Zellen zu untersuchen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die durch Bioprinting induzierten mechanischen Signale das zelluläre Verhalten. Um diese Hypothese zu testen, wurden numerische Simulationen auf der Grundlage der Methode der finiten Volumina und experimentellen Messungen durchgeführt. Ein maßgeschneiderter Druckaufbau verwendet, um die zelluläre Reaktion auf hydrostatischen Druck zu untersuchen. Viabilitäts-Analyse, Immunhistochemie und qRT-PCR wurden als Methoden zur Bewertung der zellulären Reaktionen verwendet. Die numerischen Simulationen ergaben, dass die maximale Schubspannung beim akustischen Bioprinting-Verfahren nur ein Drittel der maximalen Wandschubspannung beim Mikroventil-basierten Tintenstrahl-Bioprinting beträgt. Die Schubspannungen beim Auftreffen des Tropfens auf die Bauplattform liegen in der gleichen Größenordnung wie die Wandschubspannung in der Düse. Die Viabilitätsanalyse der Zellen nach dem Ausstoß aus dem Mikroventil hat offenbart, dass der Abstand zwischen Düse und Bauplattform ein zusätzlicher Parameter ist, der für ein zellfreundliches Bioprinting optimiert werden muss. Es wurde keine Veränderung der Zytoskelettorganisation in Bezug auf Aktinfilamente, Intermediärfilamente, fokale Adhäsion und Zell-Zell-Kontakten aufgrund festgestellt. Im Falle der Stimulation mit pulsatilem hydrostatischem Druck wurde jedoch eine proinflammatorische Reaktion von HUVECs durch einen Anstieg von Interleukin 8 und einen Rückgang der Thrombomodulin-Transkripte beobachtet. In einem nächsten Schritt sollte die Entzündungsreaktion der Zellen auf Bioprinting-induzierten Scherstress weiter erforscht werden.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• [542000-3]