Cartilage defects are currently repaired in the clinics using a number of different techniques such as microfracture, autologous chondrocytes implantation and mosaicplasty. Apart from mosaicplasty, none of these therapeutic approaches account specifically for late grade 3 or grade 4 lesions where the subchondral bone supporting the cartilage is also damaged. Current tissue engineering approaches for the repair of osteochondral lesions involve biphasic scaffolds which consist of a porous bone layer, often containing ceramic particles, and a hydrogel-based chondral layer. The two phases are often produced with different manufacturing technologies, which necessitates an additional assembly step for final graft production. By utilizing 3D printing, osteochondral grafts could be produced with a single manufacturing process. Due to the stringent requirements of bioinks in terms of their biocompatibility, viscosity and mechanical properties, novel materials are needed for the printing of an osteochondral graft.

The first part of this thesis focuses on the development of a new drug delivery system for the anti-inflammatory drug licofelone. The aim was to be able to reduce inflammation in an osteochondral defect which would contribute towards graft survival. The drug delivery system design requirements were 1) to offer a high loading capacity for licofelone and 2) to be small enough to be included into inks for osteochondral graft printing. The small size of the delivery system further required immobilization within the bioink. Otherwise the delivery system might diffuse out of the ink before release of its load at the intended target site is completed. We chose polyoxazoline-based copolymers with a terminal methacrylate group as the ideal drug delivery system for licofelone satisfying these design constraints. The polyoxazoline block copolymer showed remarkably high solubility for licofelone at two order of magnitudes higher than licofelone in water. The micelles formed were in the nanometer range and were successfully immobilized on methacrylated surfaces.

In the second part of the thesis, we explored thermoresponsive hydrogel systems as candidate materials for printing of the chondral layer of osteochondral grafts. Two polymers, Pluronic and HA-pNIPAAM, were selected as bioinks for cartilage bioprinting due to their thermoreversible gelation properties. Pluronic inherently exhibited excellent printing properties but was associated with reduced biocompatibility. To overcome this issue and improve the viability of encapsulated chondrocytes, a nanostructuring process for Pluronic was developed. Alternative derivatives of photocrosslinkable Pluronic polymers were also explored to further diminish its cytotoxic effects. HA-pNIPAAM, on the other hand, was used as a transitional matrix to aid in the printing of non- printable materials such as hyaluronic acid methacrylate and chondroitin sulfate methacrylate. Both of those biopolymers were chosen as they naturally occur in the cartilage extracellular matrix. Transient materials can also be used for other applications. We were able to use Pluronic was also shown to be usable for the creation of sacrificial molds. These molds can then be utilized to create secondary hydrogel molds which can be backfilled for the generation of patterned hydrogels.

Following demonstrations by others in our laboratory of the beneficial effects of alginate sulfate for chondrocyte encapsulation, the need arose to make this material printable. In the past, nanocellulose has been used in conjunction with alginate to make this hydrogel printable. Therefore we chose to combine nanocellulose with alginate sulfate to create an alginate sulfate based bioink. The addition of nanocellulose to alginate sulfate was shown not to interfere with its beneficial effects. Interestingly, we found that in the printed samples the extent of the beneficial effects of alginate sulfate was highly dependent on the printing geometry utilized. These findings will have implications on how future bioinks will have to be assessed in terms of their biocompability and effects of the printing process on encapsulated cells.

The last part of this thesis deals with the developmental process of an ink for printing of the bone layer of an osteochondral graft. We assessed the influence of different processing steps on the rheological properties of a bone ink including a novel, robust polymer synthesis method. We were able to show that MSCs attached well to the bone ink. Additionally, we demonstrated strong interface adhesions between both the two printed bone layers as well as between a printed bone and a chondral layer. This enabled us to print osteochondral constructs using a single bioprinting approach.

This thesis demonstrates different approaches for the creation of printable hydrogels for the manufacturing of osteochondral grafts including the usage of thermoresponsive materials, short nanocellulose fibers and ceramic particles such as hydroxyapatite. It further demonstrates some of the experimental techniques required for the thorough characterization of bioinks in terms of their rheological and biological properties.

Defekte im Knorpel werden heutzutage in der Klinik mit einer Reihe von verschiedenen Technologien repariert, wie zum Beispiel Mikrofrakturierung, autologer Chondrozytenimplantation und Mosaikplastik. Mit Ausnahme der Mosaikplastik adressiert jedoch keine dieser therapeutischen Ansätze spezifisch Grad 3 oder Grad 4 Läsionen, bei welchen der subchondrale Knochen, welcher den Knorpel unterstützt, ebenfalls beschädigt ist. Aktuelle Ansätze in der Geweberekonstruktion für die Reparatur von osteochondralen Läsionen beinhalten zwei-phasige Implantate, welche aus einer porösen, oft mit Keramikpartikeln durchsetzten Knochenschicht, sowie einer Hydrogel basierten Knorpelschicht bestehen. Diese zwei Phasen werden oft mit verschiedenen Fertigungsmethoden hergestellt und die Produktion der osteochondralen Konstrukte erfordert deswegen einen zusätzlichen Fertigungsschritt. Mittels 3D Druck könnten solche osteochondralen Implantate jedoch mit einem einzelnen Prozess gefertigt werden. Aufgrund der hohen Anforderungen an Biotinten bezüglich ihrer Biokompatibilität, Viskosität und mechanischen Eigenschaften benötigt es neue Materialien, welche zum Druck von osteochondralen Konstrukten eingesetzt werden können.

Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines neuen Arzneimittelabgabesystems für das entzündungshemmende Medikament Licofelone. Das Ziel war es die vorherrschende Entzündung in einem osteochondralen Defekt zu reduzieren was einen Beitrag zum Überleben des Transplantats leisten würde. Die Anforderungen an das Arzneimittelabgabesystem waren 1) eine hohe Löslichkeit für Licofelone und 2) es sollte ebenfalls klein genug sein um einer Tinte fürs osteochondrale Drucken beigemischt werden zu können. Aufgrund der Grösse des Arzneimittelabgabesystems ist es nötig, dass es ebenfalls in der Biotinte immobilisiert werden kann. Ansonsten ist es möglich dass das Arzneimittelabgabesystem sonst aus der Tinte heraus diffundiert bevor es seine gesamte Ladung am vorgesehenen Ort abgegeben hat. Wir wählten ein Polyoxazolin Block Copolymer mit einer terminalen Methacrylat Gruppe als das ideale Arzneimittelabgabesystem für Licofelone da es alle der genannten Anforderungen erfüllt. Das Polyoxazolin Block Co-Polymer hatte eine bemerkenswert hohe Löslichkeit für Licofelone welche zwei Grössenordnungen höher war als diejenige für Licofelone in Wasser. Die geformten Mizellen waren in der Grössenordnung von Naxiii nometern und sie konnten erfolgreich auf methacrylierten Oberflächen immobilisiert werden.

Im zweiten Teil dieser Arbeit haben wir thermoresponsive Hydrogel Systeme als Materialien für das Drucken der chondralen Schicht von osteochondralen Implantaten untersucht. Zwei Polymere, Pluronic und HA-pNIPAAM, wurden aufgrund ihrer thermoreversiblen Gelierungseingenschaften als Biotinten für den Knorpeldruck ausgewählt. Pluronic demonstriert von Natur aus exzellente Druckeigenschaften, hat aber eine unzureichende Biokompatibilität. Um dieses Problem zu überwinden und um die Anzahl überlebender eingekapselter Chondrozyten in Pluronic zu erhöhen wurde der Prozess der Nanostrukturierung von Pluronic entwickelt. Alternative Derivate von photoquervernetzbaren Pluronic Polymeren wurden ebenfalls untersucht, um die zytotoxischen Effekte weiter zu reduzieren. HA-pNIPAAM wurde hingegen als transiente Matrize verwendet, um nicht druckbare Materialien wie methacrylierte Hyluronsäure oder methacryliertes Chondroitin Sulfat druckbar zu machen. Beide dieser Komponenten wurden gewählt da sie Teil der extrazellulären Matrix von Knorpel sind. Transiente Materialien können auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden. Es hat sich gezeigt, dass Pluronic als leicht wieder zu enfernende Matrize verwendet werden kann. Diese Matrizen können dann genutzt werden um sekundäre Matrizen aus Hydrogelen herzustellen, welche wiederum gefüllt werden können um strukturierte Hydrogele herzustellen.

Im Laufe dieser Arbeit wurden die vorteilhaften Effekte von Alginat Sulfat für die Chondrozyten Einkapselung von anderen in unserem Labor demonstriert, woraus die Notwendigkeit entstand, dieses Material druckbar zu machen. Nanozellulose wurde in der Vergangenheit schon zusammen mit Alginat verwendet um dieses Hydrogel druckbar zu machen. Deswegen hatten wir uns dazu entschlossen, Nanozellulose mit Alginat Sulfat zu kombinieren, um eine auf Alginat Sulfat basierende Biotinte zu kreieren. Trotz der Zugabe von Nanozellulose blieben die vorteilhaften Effekte von Alginat Sulfate erhalten. Wir fanden jedoch, dass in den gedruckten Proben der Umfang der vorteilhaften Effekte von der verwendeten Druckgeometrie abhängig war. Diese Resultate haben Einfluss, wie zukünftige Biotinten bewertet werden müssen in Bezug auf ihre Biokompatibilität und Effekt des Druckprozesses auf die Zellen.

Der letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwicklungsprozess einer Tinte fürs Drucken der Knochenschicht eines osteochondralen Implantats. Wir haben den Einfluss verschiedener Verarbeitungsschritte, inklusive einer neuen, robusten Polymersynthesemethode, auf die rheologischen Eigenschaften einer Knochentinte beurteilt. Es war uns möglich zu zeigen dass mesenchymale Stammzellen gut auf der Knochentinte adhärierten. Desweiteren konnten wir zeigen dass eine starke Verbindung, sowohl an der Grenzfläche zwischen zwei gedruckten Knochenschichten, als auch zwischen einer gedruckten Knochen- und einer Knorpelschicht, möglich war. Dies ermöglichte es uns, osteochondrale Konstrukte in einem einzigen Druckverfahren herzustellen.

Diese Arbeit zeigt verschiedene Ansätze zur Entwicklung von druckbaren Hydrogelen für die Herstellung von osteochondral Implantaten. Dies beinhaltet die Verwendung von thermoresponsiven Materialien, kurzen Nanozellulose Fasern und keramischen Partikeln wie Hydroxyapatit. Die Arbeit zeigt weiter einige experimentelle Techniken, welche für die gründliche Charakterisierung von Biotinten bezüglich ihrer rheologischen Eigenschaften und Biokompatibilität nötig sind.