Skalenübergreifendes und zellschonendes 3D-Drucken humaner Zellen mittels düsenfreier akustischer Tropfenerzeugung

Jentsch, Stefan; Fischer, Horst (Thesis advisor); Schnakenberg, Uwe (Thesis advisor)

Aachen (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Es wurde ein zellschonendes, tropfenbasiertes akustisches Bioprinting-System entwickelt, mit dem zellbeladene Hydrogele dreidimensional verdruckt werden können. Das akustische Bioprinting-System kommt ohne Düse aus. Somit werden wandbehaftete Schubspannungen vermieden. Die Hypothese war, dass dadurch eine Zellschädigung vermieden werden kann und dass durch ein Drucken in verschiedenen Größenordnungen sowohl eine große Flexibilität im Aufbau dreidimensionaler Konstrukte als auch in der Anzahl der enthaltenden Zellen erlangt werden kann. Die akustische Tropfenerzeugung erfolgte mittels fokussierten Ultraschalls. Der Aufbau des akustischen Bioprinters umfasste sechs separat steuerbare und bewegliche Achsen. Jeweils drei orthogonal angeordnete Achsen wurden zu einem Achssystem zusammengefasst, von denen das eine für die Bewegung der Bauplattform und das andere für die Bewegung eines Ultraschallwandlers bestimmt waren. Der Ultraschallwandler wurde unter einem offenen Reservoir mit Zellen so positioniert, dass das ausgesendete Ultraschallsignal einzelne Tropfen auf eine Bauplattform oberhalb der Reservoirs übertrug. Über zwei Kamerasysteme wurden die optimalen Druckparameter bestimmt und kontrolliert, so dass es gelang, Einzeltropfen mit einem Volumen von 0,01-3,23 nl und einem minimalen Durchmesser von 54 μm bei hoher Genauigkeit zu dispensieren. Das Drucksystem ermöglichte das Dispensieren unterschiedlicher Modell-Flüssigkeiten, bestehend aus Glycerin, Polyethylenglykol, Ethanol und Wasser, über einen Viskositätsbereich bis hin zu 55 mPas. Die in die Hydrogel-Strukturen eingebetteten Zellen wiesen nach dem Druck eine Viabilität von 95.5 % auf. Darüber hinaus konnten mit der beschriebenen Technik 3D-Strukturen im Millimetermaßstab realisiert werden. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass mit dem akustischen Bio¬printing-Verfahren lebende Zellen schonend und räumlich präzise bei hoher Druckauflösung und anpassbarer Tropfengröße platziert werden können. In einem nächsten Schritt könnte die Methode mit Mikrofluidik kombiniert werden, um auch Einzelzellen reproduzierbar in 3D verdrucken zu können.

Einrichtungen

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