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dc.contributor.advisorFleck, Claudia-
dc.contributor.authorLückgen, Aline-
dc.date.accessioned2020-07-03T13:35:14Z-
dc.date.available2020-07-03T13:35:14Z-
dc.date.issued2020-
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11123-
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10013-
dc.description.abstractAlginate-based hydrogels have found extensive attention in the biomaterials community due to their capacity for facile chemical modification, their nontoxicity towards encapsulated cells, and their provocation of a minimal immune response upon implantation. Covalent crosslinking of this polysaccharide allows a higher degree of control over the initial and long-term mechanics compared to the traditional ionic mechanism - a clear advantage that comes at the cost of the material’s degradability. Though numerous single-phase constructs with homogeneous properties have already been investigated, hydrogels with patterned biophysical and biochemical properties have been more recently explored. These structures permit local control over cell activity, including attachment, differentiation and matrix deposition. The focus of this Ph.D. project was therefore two-fold: (i) to impart degradability to covalently-crosslinked alginate-based hydrogels and (ii) to introduce patterning to these structures for local control over cell behavior. In order to address the issue of lacking degradation behavior, we engineered an alginate-based material system that relies on two covalent crosslinking types and introduced two different degradation modes. First, we developed materials with spontaneous Diels-Alder crosslinking of norbornene and tetrazine functional groups with the potential to impart passive, hydrolytic degradation by oxidizing the polymer backbone. Second, we fabricated materials with ultraviolet light-initiated thiol-ene crosslinking with the potential to impart active, enzymatic degradation. These structures incorporate peptide crosslinkers susceptible to cleavage by matrix metalloproteinases. In order to form patterned materials, these two crosslinking schemes were combined, and by spatially controlling the location of the thiol-ene reaction using photomasks, patterns in stiffness, biomolecule presentation, and susceptibility to degradation were formed. These materials, or subsets thereof, were characterized for their rheological and mechanical properties by unconfined compression or microindentation, before tracking in vitro degradation behavior of degradable bulk hydrogels or patterns. Mouse pre-osteoblasts or embryonic fibroblasts were cultured on or within these hydrogels to assess cell attachment, morphology, proliferation, and viability. Human mesenchymal stem cells were applied to evaluate differentiation potential. Specifically for patterned gels, the effect of local substrate stiffness, biomolecule presentation or susceptibility to degradation on cell activity was examined. Hydrogels were then implanted subcutaneously into the backs of mice to determine the in vivo host cell and tissue infiltration based on histological staining of recovered hydrogels. Taken together, these alginate-based hydrogels featuring two different crosslinking and degradation modes, with the possibility to impart patterning in biophysical and biochemical cues, could prove extremely powerful not only for fundamental studies but also for tissue engineering applications.en
dc.description.abstractHydrogele auf Alginatbasis haben aufgrund ihrer Eignung zur einfachen, chemischen Modifikation, ihrer Ungiftigkeit gegenüber enkapsulierten Zellen und ihrer minimalen Immunantwort nach einer Implantation, großes Interesse in der Biomaterialwelt erfahren. Eine kovalente Vernetzung dieses Polysaccharids ermöglicht ein höheres Maß an Kontrolle der initialen und langfristigen mechanischen Eigenschaften als der traditionelle ionische Mechanismus. Dies ist ein klarer Vorteil, der allerdings zu Lasten der Degradierbarkeit geht. Wenngleich bereits zahlreiche einphasige Konstrukte mit homogenen Eigenschaften untersucht wurden, wurden in jüngster Zeit auch Hydrogele mit strukturierten biophysikalischen und biochemischen Eigenschaften untersucht. Diese Strukturen ermöglichen eine lokale Kontrolle der Aktivität der Zellen, einschließlich ihrer Bindung, Differenzierung und Matrixablagerung. Der Schwerpunkt dieser Promotion lag daher auf zwei Zielen: (i) kovalent vernetzten Hydrogelen auf Alginatbasis Degradierbarkeit zu verleihen und (ii) diese Materialien mit einem Streifenmuster zur lokalen Kontrolle des Zellverhaltens zu versehen. Um das Problem des fehlenden Degradationsverhaltens anzugehen, haben wir ein alginat-basiertes Materialsystem entwickelt, welches auf zwei kovalenten Vernetzungs- bzw. Degradationsformen beruht. Zunächst entwickelten wir Materialien mit spontaner Diels-Alder-Vernetzung der Norbornen- und Tetrazin-Funktionsgruppen mit dem Potenzial zum passiven, hydrolytischen Abbau durch Oxidation. Zweitens haben wir Materialien mit Thiol-en-Vernetzung unter der Einwirkung von ultraviolettem Licht hergestellt. Diese weisen das Potential zu einem aktiven, enzymatischen Abbau auf, da sie Peptidcrosslinker enthalten, die durch Matrixmetalloproteinasen gespalten werden können. Um gemusterte Materialien zu bilden, wurden diese beiden Vernetzungsmethoden kombiniert und durch die räumliche Einschränkung der Thiol-En-Reaktion mit Hilfe von Photomasken, Streifenmuster in der Steifigkeit, der Darstellung von Biomolekülen und der Anfälligkeit für Degradation gebildet. Einige dieser Materialien wurden rheologisch und mechanisch durch Kompression oder Mikroindentation charakterisiert, bevor das Degradationsverhalten erforscht wurde. Maus-Pre-osteoblasten oder embryonale Fibroblasten wurden auf oder innerhalb dieser Hydrogele kultiviert, um Zellanhaftung, Morphologie, Proliferation und Lebensfähigkeit zu bewerten. Zur Beurteilung des Differenzierungspotenzials wurden humane mesenchymale Stammzellen eingesetzt. Speziell für strukturierte Gele wurde der Einfluss von lokaler Substratsteifigkeit, Biomolekülpräsentation oder Degradationsanfälligkeit auf die Zellaktivität untersucht. Anschließend wurden Hydrogele subkutan in die Rücken von Mäusen implantiert, um die in vivo Wirtszell- und Gewebeinfiltration basierend auf histologischen Färbungen zu bestimmen. Zusammengenommen könnten sich diese alginat-basierten Hydrogele mit zwei verschiedenen Vernetzungs- und Abbaumethoden, sowie der Möglichkeit, sie mit einem Muster von biophysikalischen und biochemischen Signalen zu versehen, nicht nur für Grundlagenstudien, sondern auch für Tissue Engineering-Anwendungen als äußerst nützlich erweisen.de
dc.description.sponsorshipDFG, 221407800, Räumliche Variation des Degradationsverhaltens eines Biomaterials zur Steuerung der multizellulären Respons, der Deposition extrazellulärer Matrix und der in vivo Gewebeformationen
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/en
dc.subject.ddc629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaftende
dc.subject.otheralginate hydrogelen
dc.subject.otherbiomaterialsen
dc.subject.othertissue engineeringen
dc.subject.otherAlginat-Hydrogelde
dc.subject.otherBiomaterialiende
dc.subject.otherGewebekonstruktionde
dc.titleAlginate-based hydrogels with patterned biophysical and biochemical cuesen
dc.typeDoctoral Thesisen
tub.accessrights.dnbdomainen
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeCipitria, Amaia-
dc.contributor.refereeGeorg, Duda-
dc.contributor.refereePeter, Fratzl-
dc.date.accepted2020-03-23-
dc.title.translatedAlginat-Hydrogele mit strukturierten biophysikalischen und biochemischen Eigenschaftende
dc.type.versionacceptedVersionen
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