Titelaufnahme

Titel
Novel biocompatible initiators for direct cell encapsulation via two-photon induced photopolymerization / von Maximilian Tromayer
Weitere Titel
Initiatoren für die 2 Photonen Polymerisation
Verfasser / Verfasserin Tromayer, Maximilian
GutachterLiska, Robert
ErschienenWien, 2018
Umfang193 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Dissertation, 2018
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Anmerkung
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Photopolymerisation
Schlagwörter (EN)Photopolymerization
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-115171 Persistent Identifier (URN)
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Novel biocompatible initiators for direct cell encapsulation via two-photon induced photopolymerization [9.47 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Zwei-Photonen induzierte Polymerisation (2PP) nutzt Femtosekunden-gepulste Laser für 3D Druck mit hoher räumlicher Kontrolle und Auflösungen bis in den sub-Mikrometer-Bereich. Dies ermöglich die Herstellung von Bauteilen mit ultrakleinen strukturellen Merkmalen wie photonische Kristalle, optische Wellenleiter, mikro-elektronische Komponenten oder Gerüste für Gewebezüchtung. 2PP-produzierte Gerüste werden zur Mikromanipulation von 3D-Zellkulturen eingesetzt, mit dem letztendlichen Ziel der Untersuchung von zellulären Reiz-Reaktions-Zusammenhängen oder Pharmaforschung. Im Vergleich zur oberflächlichen Zellaussaat auf vorgefertigten Gerüsten bietet die direkte Zellverkapselung in Hydrogele höhere initiale Zelldichten, gleichmäßigere Zellverteilung und innigeren Zell-Matrix-Kontakt. Kommerzielle Initiatoren die in der UV-Verkapselung eingesetzt werden haben sich durch ihre niedrige Zwei-Photonen-Absorption als ungeeignet für 2PP-Zellverkapselung erwiesen, und der Erfolg kürzlich entwickelter wasserlöslicher Zwei-Photonen-Initiatoren (2PIs) wie P2CK war bislang durch deren relativ hohe Cytound Phototoxizität begrenzt. Das Ziel dieser Arbeit war die Konzeption neuer hocheffizienter 2PIs, die eine biokompatible 2PP-Zellverkapselung ermöglichen. Um die 2PI-Membrangängigkeit zu senken und die intrazelluläre Bildung freier Radikale und reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) nach Laseranregung zu verhindern, wurde ein makromolekularer Hyaluronan-basierter Initiator HAPI entwickelt. Konfokalmikroskopie-Aufnahmen der 2PI-Autofluoreszenz zeigen, dass HAPI sich im Gegensatz zu niedermolekularen Referenz-2PIs nicht im Zellinneren anreichert. Obwohl HAPI im Vergleich zu P2CK eine geringere Cytound Phototoxizität aufweist, wurden nach 2PP-Verkapselung-stests immer noch Zellschäden beobachtet. Eine zweite Strategie sollte die Bildung von ROS reduzieren, die in Nebenreaktionen entstehen welche mit dem langsamen, bimolekularen Elektronentransfer-Mechanismus konkurrieren, der für die Radikal-bildung konventioneller 2PIs angenommen wird. Daher wurden photospaltbare Verbindungen als 2PIs untersucht, die Radikale durch einen Mechanismus bilden, der dem biokompatibler kommerzieller UV-Initiatoren ähnelt. Das spaltbare Trichlormethyl-Triazin-basierte System 2BC agierte als effizienter 2PI, wurde jedoch aufgrund der Neigung zu unkontrollierbarer Polymerisation und übermäßiger Lichtempfindlichkeit nicht weiterentwickelt. Die Untersuchung spaltbarer Diazo-sulfonate führte zur Entwicklung von AS7, das exzellente Biokompatibilität aufweist und bei höchsten Schreibgeschwindigkeiten bis 1 m/s als effizienter 2PI wirkt. ASC/TERT1-Stammzellen die mit AS7 in methacrylierte Gelatine-Hydrogele 2PP-verkapselt wurden zeigten keine Anzeichen von Photoschäden und breiteten sich während einer 5-tägigen Beobachtungsperiode nach dem Strukturieren im Gel aus.

Zusammenfassung (Englisch)

Two-photon induced polymerization (2PP) uses femtosecond-pulsed lasers to enable true 3D printing with high spatial control and resolutions in the sub-micrometer range. This allows fabrication of parts with ultra-small features such as photonic crystals, optical waveguides, microelectronic components and scaffolds for tissue engineering. 2PP-fabricated scaffolds have been used to microengineer 3D cell cultures, with the ultimate aim of studying stimulus - cellular response relationships, or testing of pharmaceutical compounds. In comparison to the approach of seeding cells onto pre-fabricated scaffolds, direct cell encapsulation into hydrogels supports higher initial cell loading, uniformity of cell distribution and a more intimate cell-matrix contact. Commercial initiators used in UV-encapsulation have proven inadequate for 2PP cell encapsulation strategies due to their low two-photon absorption, and the success of recently developed water-soluble two-photon initiators (2PIs), such as P2CK, has so far been limited because of their relatively high cytoand phototoxicity. This aim of this thesis was to design novel highly effective 2PIs that enable a biocompatible 2PP cell encapsulation process. To hinder 2PI transmembrane migration and prevent the intracellular formation of free radicals and reactive oxygen species (ROS) upon laser excitation, a macromolecular hyaluronan-based initiator HAPI was developed. Laser scanning microscopy imaging of 2PI autofluorescence demonstrated that in contrast to small molecule references, HAPI does not accumulate inside cells. While the cytoand phototoxicity of HAPI were lower in comparison to P2CK, some cell damage was still observed after 2PP encapsulation. A second strategy aimed at reducing the formation of ROS, which result from side reactions competing with the slow bimolecular electron transfer mechanism that is assumed to govern radical generation of conventional 2PIs. Thus, photocleavable compounds - which form radicals in a mechanism similar to biocompatible commercial UV-initiators - were studied as 2PIs. The cleavable trichloromethyl-triazine based system 2BC acted as efficient 2PI, but was impractical to use due to a tendency to cause overpolymerization as well as excessive visible light sensitivity. Investigation of cleavable diazosulfonates resulted in the development of AS7, which exhibits excellent biocompatibility and is highly effective as 2PI at fast writing speeds up to 1 m/s. ASC/TERT1 stem cells 2PP encapsulated in methacrylated gelatin hydrogels with AS7 showed no signs of photodamage, and were spreading and proliferating in the gel during a 5 day observation period after structuring.

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