Tissue engineering is a multidisciplinary field that aims to restore and regenerate damaged tissues and organs by integrating principles from biology, materials science, and engineering, among others. Cartilage tissue, being one of the initial targets of tissue engineering, still requires optimal strategies to address various aspects and stages of its diseases. Currently available clinical interventions have proven suboptimal, leaving a large population in pain and with limited mobility. Moreover, due to the lack of regenerative capacity in cartilage, failure to treat injuries and diseases at earlier stages leads to degenerative conditions, ultimately requiring total knee replacement, which is a highly invasive treatment with many complications.
Developing versatile biomaterials, as one of the critical pillars of tissue engineering, is a key research field that has stimulated a large body of ongoing research. The challenge lies in balancing optimal compatibility with enhanced functionality. This dissertation attempts to address this challenge in cartilage tissue engineering by developing biocompatible and versatile biomaterial platforms and conducting comprehensive in vitro and in vivo characterization. To achieve this, zwitterionic materials were chosen as the backbone for the developed biomaterials, based on extensive literature suggesting their exceptional in vivo compatibility, which stems from their unique chemical structure. Zwitterions possess equal amounts of cationic and anionic moieties, resulting in strong hydration. This hydration provides properties such as lubrication and anti-fouling, contributing to their in vivo compatibility. While they seem ideal candidates for cartilage tissue engineering, the range of zwitterionic-based biomaterials developed for this purpose remains limited and lacks versatility. This dissertation presents a series of studies on zwitterionic biomaterials with additional functional properties, making them suitable for cartilage tissue engineering and opening up new applications. To do this, two distinct biomaterial platforms were developed, each with unique characteristics and applications.
The first biomaterial platform utilizes an emerging class of microporous scaffolds known as granular hydrogels, which possess multiple functional properties. In the first study, a novel class of zwitterionic granular hydrogels is introduced as an injectable formulation for cartilage tissue engineering, allowing for direct cell encapsulation and in vitro tissue maturation. In a separate study, the modularity of this platform is exploited to characterize and optimize scaffold biophysical properties, such as stiffness and porosity, to enhance chondrogenesis. Another study explores the use of zwitterionic granular hydrogels as (bio)inks for 3D extrusion bioprinting, enabling the fabrication of large cartilaginous constructs with overhang features at high resolution. The final study in this category includes in vitro and in vivo immune response characterization of these zwitterionic granular hydrogels, using subcutaneous implantation in mice and comparing them to hyaluronic acid granular hydrogels.
The second biomaterial platform introduced in this dissertation is an injectable, in-situ-forming hydrogel based on zwitterions, designed to treat early-stage osteoarthritis by providing tissue protection and lubrication. Comprehensive ex vivo characterization is performed on cartilage explants to assess tissue penetration, retention, lubrication, and reinforcement effects. Additionally, in vivo performance is investigated using a collagenase-induced osteoarthritis model in rats.
In the last chapter of this dissertation, a collaborative project is presented on an advanced casting technique for developing multilayered tissue transplants. While not based on zwitterions, this project employs the biomaterial strategies developed in this dissertation, enabling the use of eluting molds to fabricate multilayered, multicellular constructs with high resolution. Finally, the dissertation concludes with a summary of the major findings and key take-home messages from all the presented studies.
Die Gewebetechnik ist ein interdisziplinäres Feld, das darauf abzielt, beschädigtes Gewebe und Organe durch eine Kombination von Prinzipien aus Biologie, Materialwissenschaft, Ingenieurwesen und vielen mehr, zu restaurieren und zu regenerieren. Knorpelgewebe, das eines der ersten Anwendungsgebiete der Gewebetechnik war, bedarf nach wie vor nach optimierten Strategien, um die verschiedenen Aspekte und Stadien seiner Erkrankungen anzugehen. Derzeit verfügbare klinische Interventionen haben sich als unzureichend erwiesen, was zu Schmerzen und eingeschränkter Mobilität in einer großen Anzahl von Patienten führt. Die fehlende Regenerationsfähigkeit des Knorpels führt darüber hinaus auch dazu, dass unbehandelte Verletzungen und Erkrankungen in den frühen Stadien degenerative Prozesse auslösen, die letztlich einen vollständigen Kniegelenkersatz erforderlich machen – eine äußerst invasive Behandlung mit zahlreichen Komplikationen.
Die Entwicklung vielseitiger Biomaterialien als eine der entscheidenden Säulen der Gewebetechnik ist ein zentrales Forschungsfeld, das eine große Anzahl laufender Forschungsarbeiten stimuliert hat. Die Herausforderung besteht dabei darin, das optimale Gleichgewicht aus Biokompatibilität und Funktionalität zu finden. Diese Dissertation versucht, diese Herausforderung in der Knorpelgewebetechnik zu bewältigen, indem biokompatible und vielseitige Biomaterialplattformen entwickelt und gründlich in vitro und in vivo charakterisiert werden. Dazu wurden zwitterionische Materialien als Grundlage für die entwickelten Biomaterialien gewählt. Diese Wahl basierte auf umfangreichen Literaturhinweisen, die eine außergewöhnliche in vivo Kompatibilität aufgrund ihrer einzigartigen chemischen Struktur nahelegen. Zwitterionen besitzen gleiche Mengen an kationischen und anionischen Gruppen, was zu einer starken Hydratation führt. Diese Hydratation ermöglicht Eigenschaften wie die Schmierung von Oberflächen oder die Verringerung passiver Proteinadsorption, die zur in vivo Kompatibilität beitragen. Obwohl sie als ideale Kandidaten für die Knorpelgewebetechnik erscheinen, bleibt die Bandbreite zwitterionischer Biomaterialien, die bis jetzt für diesen Zweck entwickelt wurden, begrenzt und es fehlt an Vielseitigkeit. Diese Dissertation präsentiert eine Reihe von Studien zu zwitterionischen Biomaterialien mit zusätzlichen funktionalen Eigenschaften, die neue Anwendungen im Bereich der Knorpelgewebetechnik ermöglichen. Dafür wurden zwei verschiedene Biomaterialplattformen entwickelt, die jeweils einzigartige Eigenschaften und Anwendungen aufweisen.
Die erste Biomaterialplattform nutzt eine aufkommende Klasse mikroporöser Materialien, die als granulare Hydrogele bekannt sind und mehrere funktionale Eigenschaften besitzen. In der ersten Studie wird eine neuartige Klasse zwitterionischer granularer Hydrogele als injizierbare Formulierung für die Knorpelgewebetechnik vorgestellt, die eine direkte Zellverkapselung und in vitro Gewebeentwicklung ermöglicht. In einer separaten Studie wird die Modularität dieser Plattform genutzt, um die biophysikalischen Eigenschaften des Materials, wie Steifigkeit und Porosität, zu charakterisieren und zu optimieren, um die Chondrogenese zu verbessern. Eine weitere Studie untersucht den Einsatz zwitterionischer granularer Hydrogele als (Bio)Tinten für den extrusionsbasierten 3D-Biodruck, um die Herstellung großer knorpelartiger Konstrukte mit Überhangmerkmalen in hoher Auflösung zu ermöglichen. Die letzte Studie in dieser Kategorie umfasst die Charakterisierung der in vitro und in vivo Immunantwort auf diese zwitterionischen granularen Hydrogele durch subkutane Implantation in Mäusen und den Vergleich mit hyaluronsäurebasierten granularen Hydrogelen.
Die zweite in dieser Dissertation vorgestellte Biomaterialplattform ist ein injizierbares, in situ bildendes Hydrogel auf Basis von Zwitterionen, das entwickelt wurde, um frühe Stadien der Osteoarthrose zu behandeln, indem es das Gewebe schützt und gleichzeitig reibungsmindernd wirkt. Umfassende ex vivo Charakterisierungen an Knorpel-Explantaten werden durchgeführt, um die Gewebepenetration, -retention, Reibungs- und Verstärkungseffekte zu bewerten. Darüber hinaus werden die in vivo Eigenschaften in einem Kollagenase-induzierten Osteoarthrose-Modell in Ratten untersucht.
Im letzten Kapitel dieser Dissertation wird ein kollaboratives Projekt zu fortschrittlichen Gusstechniken zur Entwicklung mehrschichtiger Gewebetransplantate vorgestellt. Obwohl nicht auf Zwitterionen basierend, verwendet dieses Projekt die in dieser Dissertation entwickelten Biomaterialstrategien, welche die Verwendung von elutionsfähigen Formen ermöglichen, um mehrschichtige, multizelluläre Konstrukte in hoher Auflösung herzustellen. Abgeschlossen wird die Dissertation mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse und zentralen Erkenntnisse aus allen vorgestellten Studien.