Cellular dynamics are governed by the geometrical, mechanical and biochemical properties of the extracellular matrix (ECM) and vice versa. This reciprocity proves essential for tissue and organ viability and many forms of interactions have extensively been investigated in 2D environments over the last decades. However, with the addition of the third dimension, cellular dynamics become increasingly complex and cellular behavior in 3D environments can differ significantly from 2D. Therefore, 3D in vitro models are being developed mimicking both healthy and pathological cell niches with the highest biological conformity including high resolution of biochemical and mechanical cues to achieve further insights in cell-ECM interactions including proliferation, differentiation and migration. Furthermore, by integrating an interveined micro vasculatory system can enable the nutrient supply well as the distinct distribution of additional biochemical factors throughout ever larger tissues models. The aim of this cumulative doctoral thesis was to improve precision 3D printed cell scaffolds mimicking native tissues in geometry, composition and mechanics. In particular, the fabrication of (i) up to mm-sized scaffolds with micrometer resolution printed from gelatin derived photo-resins which are suitable to culture and analyze a variety of cell lines as well as primary cells, (ii) with defined biomechanical properties, (iii) using biomimetic 3D print templates mimicking alveolar tissue and (iv) with integrated channels for selective perfusion was investigated. Two-photon stereolithography (TPS) was adapted to fabricate up to mm-sized high-precision cell scaffolds at sub-cellular resolution from protein based photo-resins including gelatin methacrylate and bovine serum albumin and demonstrated compatibility with a variety of cells types including primary human lung fibroblasts. By tailoring the manufacturing settings such as objective specifications or laser power as well as by applying two-pass printing and post-print crosslinking, the Young’s moduli of 3D printed high-precision cell scaffolds to range was quantified to be between 7 – 300 kPa. The effects of different scaffold geometries on cellular dynamics was observed using mouse myoblast cells. Biomimetic 3D print templates mimicking the alveoli within the lung were either created by imaging of native alveolar tissue or by using generative design. In particular, generative design was used to create parametrized print templates with fully intact alveoli and capillary structures and tailorable properties such as wall thickness, degree of vascularization or number of alveoli. Finally, an ultra-compact perfusion chip allowing for contacting, perfusion and cellularization of individual channels within protein printed scaffolds was explored, paving the way to fully vascularized high-resolution in vitro tissue models. In summary, precision printed cell scaffolds mimicking native tissue in composition, mechanics and geometry were improved. The work in this doctoral thesis will allow for a systematic analysis of single cell and tissue dynamics in response to defined geometrical, mechanical and biomolecular environments and will eventually be scalable to full organs.      «

Cellular dynamics are governed by the geometrical, mechanical and biochemical properties of the extracellular matrix (ECM) and vice versa. This reciprocity proves essential for tissue and organ viability and many forms of interactions have extensively been investigated in 2D environments over the last decades. However, with the addition of the third dimension, cellular dynamics become increasingly complex and cellular behavior in 3D environments can differ significantly from 2D. Therefore, 3D in...     »

Die Zelldynamik wird von den geometrischen, mechanischen und biochemischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix bestimmt, wobei diese wiederum von der Zelldynamik beeinflusst werden. Diese Wechselwirkung ist für die Vitalität von Geweben und Organen von entscheidender Bedeutung. Viele Formen der Zell-ECM Interaktionen wurden in den letzten Jahrzehnten eingehend in 2D Umgebungen untersucht. Durch die Einführung der dritten Dimension wird die Zelldynamik jedoch zunehmend komplexer, und das Zellverhalten in 3D Umgebungen kann sich erheblich von dem in 2D unterscheiden. Daher werden derzeit 3D-in-vitro-Modelle entwickelt, die sowohl gesunde als auch pathologische Zellnischen mit höchster biologischer Konformität nachahmen. Diese beinhalten eine hohe räumliche Auflösung biochemischer und mechanischer Signale, um weitere Einblicke in die Zell-ECM Interaktionen, einschließlich Proliferation, Differenzierung und Migration, zu gewinnen. Darüber hinaus kann durch die Integration eines vernetzten mikrovaskulären Systems die Nährstoffversorgung sowie die selektive Verteilung zusätzlicher biochemischer Faktoren in immer größeren Gewebemodellen ermöglicht werden. Das Ziel dieser kumulativen Doktorarbeit war die Verbesserung von präzisen 3D-gedruckten Zellgerüsten, in Hinblick auf die Nachahmung von nativem Gewebe in Geometrie, biochemische Zusammensetzung und Mechanik. Insbesondere wurde zur Herstellung von (i) bis zu mm-großen Gerüsten bei gleichzeitiger Auflösung im einstelligen Mikrometerbereich beigetragen. Diese Zellgerüststrukturen wurden aus Gelatine-Phototinte gedruckt und eignen sich für die Kultivierung und Analyse einer Vielzahl von Zelllinien, darunter auch Primärzellen. Mit (ii) definierten biomechanischen Eigenschaften, (iii) unter Verwendung biomimetischer 3D-Druckvorlagen und (iv) mit integrierten Kanälen für die selektive Perfusion können diese Zellgerüste Alveolargewebe in diesen Aspekten imitieren. Die Zwei-Photonen-Stereolithographie wurde adaptiert, um hochpräzise, bis zu mm-großen Zellgerüste mit subzellulärer Auflösung aus proteinbasierten Photoharzen wie Gelatine-Methacrylat und Rinderserumalbumin herzustellen, und haben die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Zelltypen einschließlich primärer menschlicher Lungenfibroblasten nachgewiesen. Durch Anpassung der Druckparameter, wie die Vergrößerung des Objektivs oder die Laserleistung, sowie durch mehrfache oder nachträgliche Vernetzung, konnten die Elastizitätsmodule von 3D-gedruckten, hochpräzisen Zellgerüsten in einem Bereich zwischen 7 und 300 kPa variiert werden. Die Auswirkungen verschiedener Gerüstgeometrien auf die Zelldynamik wurden mit Myoblastenzellen der Maus beobachtet. Biomimetische 3D-Druckvorlagen, die die Alveolen in der Lunge nachahmen, wurden entweder durch Bildgebung von nativem Alveolargewebe oder durch algorithmische Designmethoden erstellt. Insbesondere wurde algorithmisches Design verwendet, um parametrisierte Druckvorlagen mit vollständig intakten Alveolen und Kapillaren, sowie maßgeschneiderte Eigenschaften wie Wandstärke, Grad der Vaskularisierung oder Anzahl der Alveolen zu erstellen. Schließlich wurde ein ultrakompakter Perfusionschip entwickelt, der es ermöglicht, einzelne Kanäle innerhalb von proteingedruckten Scaffolds zu kontaktieren und perfundieren, um den Weg zu vollständig vaskularisierten, hochauflösenden in vitro Gewebemodellen zu ebnen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass gedruckte, hochpräzise Zellgerüste in ihrer Nachahmung von nativem Gewebe in den Aspekten Zusammensetzung, Mechanik und Geometrie verbessert wurden. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit werden eine systematische Analyse der Dynamik einzelner Zellen und Gewebe als Reaktion auf definierte geometrische, mechanische und biomolekulare Umgebungen ermöglichen und wird schließlich auf ganze Organe skalierbar sein.     «

Die Zelldynamik wird von den geometrischen, mechanischen und biochemischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix bestimmt, wobei diese wiederum von der Zelldynamik beeinflusst werden. Diese Wechselwirkung ist für die Vitalität von Geweben und Organen von entscheidender Bedeutung. Viele Formen der Zell-ECM Interaktionen wurden in den letzten Jahrzehnten eingehend in 2D Umgebungen untersucht. Durch die Einführung der dritten Dimension wird die Zelldynamik jedoch zunehmend komplexer, und das Zel...     »