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E. Zerobin:
"Two-Photon Structured Hydrogels based on Hyaluronic Acid for Applications in Tissue Engineering";
Betreuer/in(nen): R. Liska, S. Baudis; Institut für Angewandte Synthesechemie, 2017; Abschlussprüfung: 22.03.2017.

Hydrogele spielen eine große Rolle im Bereich der Biomaterialien, wobei diese bereits weitgehend für die Geweberekonstruktion (tissue engineering) genutzt werden. Beschädigtes oder entferntes Gewebe kann mithilfe dieser Hydrogele ersetzt werden, da diese Materialien ähnliche physikochemische Eigenschaften zu extrazellulärer Matrix zeigen. Wegen ihrer Durchlässigkeit für Nährstoffe und ihrem hohen Wassergehalt werden sie besonders oft zur Weichgeweberegeneration verwendet. Damit Zelladhäsion und -proliferation innerhalb einer Matrix entsprechend stattfinden kann, sind nebst anderen Faktoren definierte strukturelle Eigenschaften dieser Hydrogele notwendig. Über generative Fertigungsverfahren, vor allem Zwei Photonen Polymerisation (2PP), können Gewebestrukturen mit diesen Anforderungen hergestellt werden. 2PP erlaubt im Speziellen die hochauflösende Fertigung von photopolymerisierbaren Makromolekülen (Präkursoren) basierend auf natürlichen Polymeren. Aufgrund der hohen Transparenz von biologischem Gewebe bezüglich des verwendeten gepulsten Nah-Infrarot-Lasers können hohe Eindringtiefen bei gleichzeitig geringem Schaden der umgebenden Matrix erreicht werden. Obwohl bereits eine Vielzahl an unterschiedlichen Präkursoren (z.B. Meth(acrylate)) entwickelt wurden, weisen diese gewisse Nachteile wie Zytotoxizität innerhalb der extrazellulären Matrix auf.
Innerhalb dieser Arbeit wurden neu entwickelte Präkursoren basierend auf Hyaluronsäure (HA) über eine enzymatische Umesterung mit Divinyladipat synthetisiert. HA Präkursoren, die mit Vinylester modifiziert wurden (HAVE), weisen verglichen mit Meth(acrylaten) eine höhere Biokompatibilität auf. Eine effektive Vernetzung von HAVE kann durch die Zugabe von Thiolen zu der Präkursorformulierung erreicht werden (Thiol-En Chemie). Die langsame Homopolymerisation der HAVE wird somit über die Einführung von multifunktionellen Thiolen überwunden. Unterschiedliche Thiole und deren Effekt auf die Hydrogelmatrix konnten somit untersucht werden. Mittels photorheologische Studien wurde außerdem der Beitrag von HAVE Makromolekülen auf die viskoelastischen Eigenschaften der Hydrogele untersucht. Anhand des Verlaufes des Speichermoduls wurde der Einfluss von Makromergröße, Substitutionsgrad, Makromergehalt und Art des Thiols auf die Vernetzungsdichte und die Reaktivität der Formulierung untersucht. Über die Synthese von HAVE ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften von Hydrogelen anhand ihrer Kettenlänge und Nummer der polymerisierbaren Gruppen anzupassen. Zusätzlich wurde ein neues Konzept vorgestellt, bei dem HAVE in Kombination mit Kollagen als interpenetrierendes Netzwerk verwendet wurde. Außerdem wurden mit 2PP Zellen in eine HAVE Hydrogelmatrix eingebettet und deren Überleben untersucht.

Hydrogels are an important class of biomaterials, widely used in tissue engineering. With these hydrogels, scientists aim to replace injured or removed functional tissue, because these materials show physicochemical similarity to extracellular matrix (ECM). Their permeability for nutrients, as well as their high water content are accounting for their application in soft tissue regeneration. Cells require amongst other factors, defined structural properties of hydrogels, to properly attach and proliferate within a matrix. Consequently, 3D fabrication of scaffolds can be realized by Additive Manufacturing Techniques, such as Two-Photon Polymerization (2PP). Macromolecules with natural origin, having photopolymerizable groups (precursors) can be fabricated via 2PP with high spatial resolution. The applied near-infrared laser offers high transparency towards biological tissues, being able to realize high penetration depth and little photo-damage of native matrices. Despite research has introduced a variety of different state of the art precursors [meth(acrylates)], these are potentially irritant and cytotoxic, when used as scaffolds to mimic ECM.
Within this thesis, recently developed photopolymerizable precursors, based on hyaluronic acid (HA) were synthesized via an enzymatic transesterification reaction using divinyl adipate. Compared to their cytotoxic counterparts [meth(acrylates)], vinyl ester modified HA precursors (HAVE) show promising biocompatibility. The introduction of thiols into the precursor formulation enables effective crosslinking under high conversion using the concept of thiol-ene chemistry. The slow homopolymerization rate of HAVE can thereby be overcome and multifunctional thiols can be used to study their effect on hydrogel matrices. The contribution of HAVE macromers on viscoelastic properties of hydrogels was investigated via photorheology. Based on the characteristics of the storage modulus, the effect of macromer size, degree of substitution, macromer content and type of thiol component on the crosslinking density, as well as on the reactivity of the formulation was investigated. Synthesized HAVE macromers, with different chain length and number of polymerizable groups on the HA backbone allow the fabrication of hydrogels with tailored mechanical properties. Additionally, a new approach was studied, to use HAVE in combination with collagen as interpenetrating network. Finally, cells were encapsulated via 2PP in the presence of HAVE macromers and their survival was studied.

Hydrogele, Biomaterialien, Geweberekonstruktion, Zelladhäsion und -proliferation, Zwei Photonen Polymerisation (2PP), Präkursoren