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Investigation of Biological and Technical Components for the Development of a 3D-Bioprinting Process for Vascularized Organs-on-a-Chip

Moritz-Fritschen, Anna (2024)
Investigation of Biological and Technical Components for the Development of a 3D-Bioprinting Process for Vascularized Organs-on-a-Chip.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027749
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Investigation of Biological and Technical Components for the Development of a 3D-Bioprinting Process for Vascularized Organs-on-a-Chip
Language: English
Referees: Blaeser, Prof. Dr. Andreas ; Stark, Prof. Dr. Robert
Date: 22 August 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxii, 88 Seiten
Date of oral examination: 17 July 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027749
Abstract:

In today’s pharmaceutical research, conventional cell culture and animal testing are used to quantify the efficacy and safety of new pharmaceutical substances and drugs. The popularity of two-dimensional cell culture systems is based on their low costs in production and maintenance, high scalability, well-established testing and automated analysis methods. Despite these advantages, these methods often misjudge substances, resulting in late failures later on in human studies due to undetected side effects or reduced efficacy. In order to prevent these costly late failures, it is necessary to develop tissue models that more accurately and reliably represent human tissues in research. Such models require the targeted placement of multiple cell types in a matrix material that is similar to the human body, which can best be realized using high-resolution additive manufacturing such as microvalve-based 3D-bioprinting. To ensure nutrient supply and to mimic both the native nutrient and drug uptake, the integration of a blood vessel network into the tissue model is essential. The perfusion of these vascular networks can most reliably be realized on a microfluidic chip, which regulates liquid flow and drug administration. When tissue models are cultured under perfusion on such a microfluidic chip, they are called Organs-on-a-Chip. Despite the advantages of Organs-on-a-Chip over two-dimensional cell cultures, their use in pharmaceutical research remains limited as aspects such as their scaled-up fabrication and automatization in handling remain challenging. This work addresses the mentioned research aspects required for the automated fabrication of vascularized Organs-on-a-Chip for a translation of these models into preclinical pharmaceutical research. It focuses on the fabrication of a three-dimensional, vascularized and multicellular liver carcinoma Organ-on-a-Chip model via microvalve-based 3D-bioprinting. The objective is to determine if 3D-bioprinting can enhance automation in the fabrication of Organs-on-a-Chip and add a higher level of complexity as well as biomimetic vascular structures. In the first step, approaches to vascularization in Organs-on-a-Chip presented in the literature are reviewed, classified according to their degree of biomimicry and assessed for their suitability regarding the planned multi-cellular Organ-on-a-Chip. Based on this analysis, an approach compatible with the available bioprinting system and suitable for the envisioned tissue model is selected and employed in this work. Since the development of complex tissue models often requires multiple iterative steps concerning the microfluidic chip, conventional 3D-printing could enhance and accelerate the prototyping of these chips. Possible adaptations to the print process and a material selection of a conventional 3D-printer required to obtain transparent and cytocompatible components are therefore studied. This adapted process is then tested to examine if the print resolution as well as the general print process is capable of prototyping various microfluidic chip designs required for the tissue model and bioprint process. Next, a matrix material has to be selected that contains the liver carcinoma cells and that can be placed by the bioprinter with high precision and in small volumes. For this purpose, different hydrogel combinations are studied to identify a material that can retain and stimulate cell viability and growth without compromising the print resolution within the microfluidic chip. In the final step, the bioprinter is combined with a robotic handling unit to replace manual handling in the assembly of the Organ-on-a-Chip. This process is tested and assessed on the multi-cellular and vascularized liver carcinoma Organ-on-a-Chip. The resulting model is evaluated by the print resolution, the morphology of the vascular network and the proliferation of the liver carcinoma cells over a culture time of 14 days.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Aktuell dienen Zellkulturen und Tierversuche in der pharmazeutischen Forschung der Bewertung von Wirksamkeit und Sicherheit neuer Substanzen. Dabei beruht die Beliebtheit zweidimensionaler Zellkultursysteme auf ihrer kostengünstigen Herstellung und Wartung, der Skalierbarkeit und den bereits etablierten Analysemethoden. Trotz ihrer Vorteile führen diese Systeme oft zur Fehleinschätzung von Substanzen, die in späteren Studien an Menschen aufgrund von unerkannten Nebenwirkungen oder verminderter Wirksamkeit zu Fehlschlägen führen. Um kostspielige Misserfolge zu vermeiden, sind deutlich genauere und zuverlässigere Gewebemodelle notwendig. Solche Modelle erfordern die gezielte Platzierung verschiedener Zelltypen in einem Matrixmaterial, das der extrazellulären Matrix des menschlichen Körpers ähnelt. Dies kann am effektivsten durch hochauflösende 3D-Biodrucker umgesetzt werden. Um eine angemessene Nährstoffversorgung und die Nachahmung der nativen Nährstoff- sowie Medikamentenaufnahme zu imitieren, ist die Integration eines Blutgefäßnetzes in das Gewebemodell entscheidend. Die Perfusion dieser Gefäße lässt sich am besten mittels eines mikrofluidischen Chips realisieren, der den Flüssigkeitsfluss und die Medikamentenzufuhr reguliert. Solche perfundierten Gewebemodelle auf einem Mikrofluidikchip werden als Organs-on-a-Chip bezeichnet. Obwohl Organs-on-a-Chip gegenüber zweidimensionalen Zellkulturen Vorteile bieten, werden sie in der pharmazeutischen Forschung nur begrenzt eingesetzt, da Herausforderungen wie die Skalierbarkeit und die Automatisierung der Herstellung und Handhabung bestehen bleiben. Diese Arbeit befasst sich daher mit den Forschungsaspekten, die für die automatisierte Herstellung vaskularisierter Organs-on-a-Chip notwendig sind und ihre Anwendung in der präklinischen Arzneimittelforschung ermöglichen. Sie konzentriert sich auf die Herstellung eines dreidimensionalen, vaskularisierten und multizellulären Leberkarzinom-on-a-Chip mittels mikroventilbasiertem 3D-Biodruck. Ziel ist es festzustellen, ob der 3D-Biodruck die Herstellung von Organs-on-a-Chip automatisieren und ein höheres Maß an Komplexität sowie biomimetische Gefäßstrukturen hinzufügen kann. Zuerst werden in der Literatur vorgestellte Ansätze zur Vaskularisierung in Organs-on-a-Chip gesichtet, nach ihrem Grad der Biomimetik klassifiziert und ihre Eignung für das geplante Modell bewertet. Anhand dieser Analyse wird ein geeigneter und mit dem verfügbaren Biodrucker kompatibler Ansatz ausgewählt und in der Arbeit angewendet. Die Entwicklung komplexer Gewebemodelle erfordert oft mehrere Iterationen im Zusammenhang mit dem Design des eingesetzten Mikrofluidikchips, welche durch konventionellen 3D-Druck verbessert und beschleunigt werden könnten. Daher werden mögliche Anpassungen des Druckverfahrens und der Materialauswahl eines konventionellen 3D-Druckers untersucht, die nötig sind, um transparente und zytokompatible Bauteile zu erhalten. Dieser angepasste Prozess wird daraufhin hinsichtlich Druckauflösung und allgemeinem Druckprozess auf seine Eignung für die Prototypenherstellung untersucht. Als nächstes erfolgt die Auswahl eines Matrixmaterials für die Leberkrebszellen, das präzise und mit hoher Auflösung vom Biodrucker platziert werden kann. Verschiedene Hydrogel-Kombinationen werden untersucht, um ein Material zu identifizieren, welches die Vitalität und Proliferation der Zellen bewahrt ohne die Druckauflösung zu beeinträchtigen. Schließlich wird der Biodrucker mit einer Robotereinheit kombiniert, um die manuelle Handhabung bei der Herstellung des Organ-on-a-Chip zu automatisieren. Dieses Verfahren wird an einem multizellulären, vaskularisierten Leberkarzinom-on-a-Chip getestet und bewertet. Das resultierende Modell wird anhand der Druckauflösung, der Morphologie des Gefäßnetzes und der Proliferation der Leberkarzinomzellen über 14 Tage beurteilt.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-277498
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 570 Life sciences, biology
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD) > Biomedical Printing Technology (BMT)
Date Deposited: 22 Aug 2024 12:47
Last Modified: 05 Sep 2024 09:57
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27749
PPN: 521108535
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