The aim of this thesis was to develop and utilize novel approaches for biofabrication of cartilage tissue. Until now, tissue engineering could not provide a potent and effective strategy to create de novo cartilage tissue for regenerative medicine. The presented work is targeted towards advancing the methods of biofabrication, in an attempt to ultimately let this vision become true. On the search for a successful solution for cartilage tissue engineering, diverse approaches were pursued. A clinically translatable bioink, formulated from a range of minimally modified natural polymers, was developed and used for extrusion 3D bioprinting. Bioprinted constructs were characterized regarding their chondrogenic maturation in vitro and in vivo. Additionally, methods were devised to evaluate the clinical relevance of this bioink as well as bioprinted constructs in general. In a second study, a new and facile fabrication method using elongated, micron sized hydrogels was developed. Bulk hydrogels were mechanically deconstructed into a new microgel material named “entangled microstrands”. This simple but powerful strategy is applicable to a wide range of hydrogels. The resulting, microporous material excels as bioink and can be 3D bioprinted into biological relevant shapes. Biocompatibility is outstanding and microstrands can be flow-aligned to direct orientation and development of embedded cells. In a third study, a novel biofabrication method for weakly crosslinked gels, non-annealed microgels and fluid materials was devised. By utilizing a sacrificial hydrogel mold and semi-permeable hydrogel shell, it was possible to confine cell-laden infill materials within a custom shape. Highly viscous polymer solutions and commercially available tissue fillers were, for the first time, successfully cultured in vitro and screened for their chondrogenic potential. In conclusion, advanced biofabrication strategies were conceptualized and implemented. These methods have relevance for an extensive range of materials and are sophisticated, but not unnecessary complicated. This has far-reaching significance, as entangled microstrands and semi-permeable hydrogel shells can be deployed as a platform to tackle the problems and challenges in today’s tissue engineering. Their accessibility will give the biofabrication community tools to employ and utilize traditional, as well as novel materials in an exciting, new setup.

Die Zielsetzung dieser Arbeit war die Entwicklung und Anwendung neuer Strategien für die Biofabrikation von Knorpelgewebe. Bis heute konnte mit Hilfe von Tissue Engineering (engl. für Gewebekonstruktion) noch kein effektiver und wirksamer Ansatz gefunden werden, um de novo Knorpelgewebe für den Einsatz in der regenerativen Medizin zu erzeugen. Die vorgestellte Arbeit beabsichtigt dabei verschiedene Verfahren im Feld der Biofabrikation voranzubringen, damit das immense theoretische Potenzial dieses Gebietes zukünftig auch praktisch voll ausgeschöpft werden kann. Auf der Suche nach einem erfolgreichen Konzept für das Tissue Engineering von Knorpel wurden hierbei unterschiedliche Strategien verfolgt. Zunächst wurde für den klinischen Einsatz geeigneter Bioink (engl. Biotinte), zusammengesetzt aus mehreren minimal modifizierten, natürlichen Polymeren, entwickelt und mit einem Bioprinter (engl. Biodrucker) extrudiert. Die auf diese Art hergestellten Proben wurden auf ihr Entwicklungspotenzial hin zu Knorpelgewebe untersucht und bewertet. Zusätzlich wurden Methoden entworfen, um die klinische Relevanz von Bioinks als auch generell von Arbeitsstücken aus dem Bioprinter zu evaluieren. In einer zweiten Studie wurde eine neue und einfache Biofabrikationsmethode auf Basis von länglichen, mikrometergroßen Hydrogelen entwickelt. Dafür wurde ein Hydrogel-Block mechanisch in einzelne Mikrogele zerlegt, um ein Hydrogel Material von „verwobenen Mikrosträngen“ zu erzeugen. Diese einfache, aber wirkungsvolle Methode ist auf eine umfangreiche Auswahl von Hydrogelen anwendbar. Das daraus resultierende, mikroporöse Material eignet sich hervorragend als Bioink and konnte unter Verwendung eines Bioprinters in biologisch relevante Formen (z.B. in der Form eines menschlichen Ohres) gedruckt werden. Die Biokompatibilität erwies sich dabei als ausgezeichnet. Da sich die einzelnen Mikrostränge des Materials beim Extrudieren an der Fließrichtung ausrichten, kann die Orientierung von eingebetteten Zellen entsprechend gesteuert werden. In einer dritten Studie wurde eine neue Biofabrikationsmethode für schwach vernetzte Gele, nicht stabilisierte Mikrogele und flüssige Materialien entwickelt. Durch den Einsatz einer Hydrogel-Gussform und einer semipermeablen Hydrogelhülle, war es möglich mit Zellen beladenes Füllmaterial in einer frei wählbaren Form einzugrenzen. Hochviskose Polymerlösungen und kommerziell verfügbare Substanzen zur Faltenunterspritzung (sogenannte Dermalfiller) wurden erfolgreich in vitro kultiviert und auf ihr Transformationspotenzial zu Knorpelgewebe hin untersucht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit fortgeschrittene Möglichkeiten der Biofabrikation konzipiert und praktisch etabliert werden konnten. Die vorgestellten Verfahren sind auf ein breites Spektrum von Ausgansmaterialen anwendbar und dabei zur gleichen Zeit hochentwickelt, aber nicht unnötig kompliziert. Hieraus ergibt sich eine weitreichende Bedeutung für die vorgestellten Methoden. Verwobene Mikrostränge und semipermeable Hydrogelhüllen können zukünftig als Plattform eingesetzt werden, um Lösungen für die Probleme und Herausforderungen im Tissue Engineering zu finden. Da diese Methoden leicht zugänglich sind, können sie Wissenschaftlern als Hilfsmittel dienen, Materialen für die Biofabrikation auf eine ganze neue Art zu nutzen und der modernen Medizin zur Verfügung zu Stellen.