Entwicklung des Melt Electrospinning Writing zur Erzeugung biomimetischer Strukturen

In order to mimic the extracellular matrix for tissue engineering, recent research approaches often involve 3D printing or electrospinning of fibres to scaffolds as cell carrier material. Within this thesis, a micron fibre printing process, called melt electrospinning writing (MEW), combining both additive manufacturing and electrospinning, has been investigated and improved. Thus, a unique device was developed for accurate process control and manufacturing of high quality constructs. Thereby, different studies could be conducted in order to understand the electrohydrodynamic printing behaviour of different medically relevant thermoplastics as well as to characterise the influence of MEW on the resulting scaffold performance. For reproducible scaffold printing, a commonly occurring processing instability was investigated and defined as pulsing, or in extreme cases as long beading. Here, processing analysis could be performed with the aim to overcome those instabilities and prevent the resulting manufacturing issues. Two different biocompatible polymers were utilised for this study: poly(ε-caprolactone) (PCL) as the only material available for MEW until then and poly(2-ethyl-2-oxazoline) for the first time. A hypothesis including the dependency of pulsing regarding involved mass flows regulated by the feeding pressure and the electrical field strength could be presented. Further, a guide via fibre diameter quantification was established to assess and accomplish high quality printing of scaffolds for subsequent research tasks. By following a combined approach including small sized spinnerets, small flow rates and high field strengths, PCL fibres with submicron-sized fibre diameters (fØ = 817 ± 165 nm) were deposited to defined scaffolds. The resulting material characteristics could be investigated regarding molecular orientation and morphological aspects. Thereby, an alignment and isotropic crystallinity was observed that can be attributed to the distinct acceleration of the solidifying jet in the electrical field and by the collector uptake. Resulting submicron fibres formed accurate but mechanically sensitive structures requiring further preparation for a suitable use in cell biology. To overcome this handling issue, a coating procedure, by using hydrophilic and cross-linkable star-shaped molecules for preparing fibre adhesive but cell repellent collector surfaces, was used. Printing PCL fibre patterns below the critical translation speed (CTS) revealed the opportunity to manufacture sinusoidal shaped fibres analogously to those observed using purely viscous fluids falling on a moving belt. No significant influence of the high voltage field during MEW processing could be observed on the buckling phenomenon. A study on the sinusoidal geometry revealed increasing peak-to-peak values and decreasing wavelengths as a function of decreasing collector speeds sc between CTS > sc ≥ 2/3 CTS independent of feeding pressures. Resulting scaffolds printed at 100 %, 90 %, 80 % and 70 % of CTS exhibited significantly different tensile properties, foremost regarding Young’s moduli (E = 42 ± 7 MPa to 173 ± 22 MPa at 1 – 3 % strain). As known from literature, a changed morphology and mechanical environment can impact cell performance substantially leading to a new opportunity of tailoring TE scaffolds. Further, poly(L-lactide-co-ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) as well as poly(ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) (PCLAC) copolymers could be used for MEW printing. Those exhibit the opportunity for UV-initiated radical cross-linking in a post-processing step leading to significantly increased mechanical characteristics. Here, single fibres of the polymer composed of 90 mol.% CL and 10 mol.% AC showed a considerable maximum tensile strength of σmax = 53 ± 16 MPa. Furthermore, sinusoidal meanders made of PCLAC yielded a specific tensile stress-strain characteristic mimicking the qualitative behaviour of tendons or ligaments. Cell viability by L929 murine fibroblasts and live/dead staining with human mesenchymal stem cells revealed a promising biomaterial behaviour pointing out MEW printed PCLAC scaffolds as promising choice for medical repair of load-bearing soft tissue. Indeed, one apparent drawback, the small throughput similar to other AM methods, may still prevent MEW’s industrial application yet. However, ongoing research focusses on enlargement of manufacturing speed with the clear perspective of relevant improvement. Thereby, the utilisation of large spinneret sizes may enable printing of high volume rates, while downsizing the resulting fibre diameter via electrical field and mechanical stretching by the collector uptake. Using this approach, limitations of FDM by small nozzle sizes could be overcome. Thinking visionary, such printing devices could be placed in hospitals for patient-specific printing-on-demand therapies one day. Taking the evolved high deposition precision combined with the unique small fibre diameter sizes into account, technical processing of high performance membranes, filters or functional surface finishes also stands to reason.Um biomimetische extrazelluläre Matrices für das Tissue Engineering herzustellen, bedienen sich aktuelle Forschungsansätze oftmals der Produktion von Faser-Konstrukten durch additive Fertigung oder Elektrospinn-Verfahren. Das sogenannte Melt Electrospinning Writing (MEW) kombiniert Vorteile beider Techniken und weist dadurch ein hohes Applikationspotential auf. Daher bestand das Ziel der vorliegenden Arbeit in der Weiterentwicklung und Erforschung des MEW. Für diesen Zweck wurde eine neuartige Forschungsanlage konzipiert und gebaut, welche mit einzigartiger Verfahrenspräzision und Prozesskontrolle die Fertigung von hochqualitativen Konstrukten ermöglichte. Auf Basis dessen konnten die durchgeführten Studien das Verständnis des elektrohydrodynamischen Druckvorgangs und der untersuchten Prozessparameter vertiefen und letztendlich zur Ausweitung des Verfahrens auf neue medizinisch relevante Thermoplaste beitragen. Um eine reproduzierbare Herstellung von Scaffolds zu ermöglichen, wurde eine häufig auftretende Prozessinstabilität erforscht und als pulsing, oder in stark ausgeprägten Fällen als long beading, klassifiziert. Durch Prozessanalyse konnte zudem eine Methode zur Vermeidung dieser Instabilität entwickelt werden. Dafür wurden zwei unterschiedliche biokompatible Polymere verwendet: Poly(ε-Caprolacton) (PCL) als bis dahin einziger verfügbarer MEW Werkstoff, sowie erstmalig Poly(2-Ethyl-2-Oxazolin). Die aufgestellte Hypothese umfasst eine universelle Abhängigkeit der pulsing Instabilität zu involvierten Massenströmen, welche durch Anpassung des angelegten Prozessdruckes und der elektrischen Feldstärke reguliert werden kann. Um ein optimales Prozessergebnis für nachfolgende Forschungsarbeiten zu erzielen, wurde zusätzlich ein Leitfaden zur quantitativen Bewertung des Grades der Instabilität bereitgestellt. Durch Kombination kleiner Spinndüsen, kleiner Schmelze-Flussraten und hoher elektrischen Feldstärken, konnten erstmalig PCL Fasern mit sub-mikron Durchmessern (fØ = 817 ± 165 nm) zu präzisen Scaffolds verarbeitet werden. Diese wurden anschließend durch materialwissenschaftliche Analytik charakterisiert. Dabei wurde eine molekulare Vorzugsorientierung und isotrope Kristallausrichtung entlang der Faser beobachtet, welche durch den hohen Verstreckungsgrad des erstarrenden Polymerstrahls erklärt werden konnte. Resultierende sub-mikron Fasern konnten zwar für einen akkuraten Druckvorgang verwendet werden, jedoch erwiesen sich die Strukturen als instabil und daher nicht geeignet für die Handhabung bei Zellkulturstudien. Aus diesem Grund wurde ein Beschichtungsansatz mittels hydrophilen und vernetzbaren Sternmolekülen für Substratflächen herangezogen. Während solche modifizierten Oberflächen bekanntermaßen Zelladhäsion verhindern, konnten gedruckte sub-mikron Scaffolds auf der Oberfläche haften und so für biologische Studien verwendet werden. Durch das gezielte Ablegen von Fasern unterhalb der kritischen Translationsgeschwindigkeit (CTS) des Kollektors, konnten sinusförmige Faserstrukturen erzeugt werden. Analog zu rein viskosen Fluiden, welche durch ein bewegliches Band aufgesammelt werden, schien dieser Vorgang dem sogenannten buckling zu unterliegen und daher phänomenologisch nicht oder nur geringfügig vom elektrischen Feld abhängig zu sein. Zudem konnte eine durchgeführte Studie die direkte Abhängigkeit der Fasergeometrie mit der Kollektorbewegung belegen. Unabhängig vom Prozessdruck, führte eine verminderte Kollektorgeschwindigkeit sc in den Grenzen CTS > sc ≥ 2/3 CTS zu erhöhten Amplituden bzw. Spitze-zu-Spitze Werten und verkürzten Wellenlängen. Durch das kontrollierte Ablegen der Fasern bei Geschwindigkeiten von 100 %, 90 % 80 % und 70 % CTS konnten zudem Scaffolds mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Speziell der Zugmodul wurde dadurch etwa um eine halbe Größenordnung moduliert (Es = 42 ± 7 MPa bis 173 ± 22 MPa bei 1 – 3 % Dehnung). Dies ist in Kombination mit der Strukturierung für maßgeschneiderte TE Scaffolds von großem Interesse, da zelluläre Systeme sensibel auf ihre Umgebung reagieren können. Des Weiteren wurden Poly(L-Lactid-co-ε-Caprolacton-co-Acryloylcarbonat) und Poly(ε-Caprolacton-co-Acryloylcarbonat) (PCLAC) Copolymere hinsichtlich deren MEW Verarbeitbarkeit untersucht. Solche Kunststoffe können nach dem Druckvorgang mit UV-Strahlung radikalisch vernetzt werden und dadurch deutlich erhöhte mechanische Eigenschaften ausbilden. Für Fasern aus 90 mol.% CL und 10 mol.% AC wurden beispielsweise maximale Zugfestigkeiten von σmax = 53 ± 16 MPa ermittelt. MEW gedruckte sinusförmige Faserstrukturen aus PCLAC wiesen darüber hinaus ein biomimetisches Spannungs-Dehnung-Verhalten auf, vergleichbar zu Sehnen- und Ligamentgewebe. Eine Untersuchung der Zellviabilität von L929 murinen Fibroblasten im Eluattest, sowie eine lebend/tot-Färbung von humanen mesenchymalen Stammzellen auf den Scaffolds, ergab vielversprechende Resultate und damit ein relevantes Anwendungspotential solcher Strukturen als Implantat. Neben genannten Vorteilen, weist MEW als Verfahren bislang allerdings geringe Produktionsgeschwindigkeiten auf. Diese sind daher in den Fokus aktueller Forschungsvorhaben gerückt. Einen Ansatz hierfür bieten Spinndüsen mit hohem Innendurchmesser und erhöhter Austragsrate, wobei die optimierte elektrische Feldstärke, sowie ein Verstrecken durch die Kollektorbewegung, zu den erwünschten dünnen Fasern führen können. Dadurch kann die abwärtslimitierte Düsengröße des FDM Verfahrens überwunden werden. Visionär gedacht, könnte eine solche Anlage direkt in Krankenhäusern zur Fertigung von patienten- und defektspezifischen Implantaten eingesetzt werden. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Präzision, zusammen mit dem Drucken von Mikro-Fasern, einen technischen Einsatz zur Herstellung von Membranen, Filtern oder funktionalen Oberflächenbeschichtungen