Universität zu Köln

Akinci, Caner (2024). Strategies Towards 3D Engineering of Biocompatible Hydrogels. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis explores the versatile potential of synthetic, biocompatible polymers to create well-defined hydrogels by following different crosslinking strategies. In the first strategy, the employment of triblock copolymers based on poly(ethylene glycol) (PEG) and polycaprolactone (PCL) for a physical gelation is investigated. Therefore, PCL-PEG-PCL triblock copolymers are synthesized at various block length via ring-opening polymerization of -caprolactone, using PEG diols (> 8000 g mol-1) as macroinitiators. Using a combination of methods such as size exclusion chromatography (SEC), nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR), and a purification process in toluene, it is optimized to result in well-defined products with unimodal molar mass distribution. The purified PCL-PEG-PCL triblock copolymers are systematically analyzed with focus on their sol-gel behavior and thermal properties. In the next strategy, PEG is used as the matrix material for photo-crosslinked networks by extrusion-based 3D printing. For this purpose, poly(ethylene glycol) dimethacrylate (PEG8KDMA) (8000 g mol-1) with at a high degree of functionalization is used as crosslinking component. To find the optimal composition for the printing process, solution rheology is employed, both by rotational and capillary rheometry. Here, PEG100K (100000 g mol-1) is proven to be a very good viscosity enhancer. Systematic investigation of aqueous PEG8KDMA, PEG100K, and their PEG8KDMA/PEG100K binary solutions at varying mass fractions show that the observed complex flow behavior is dominated by the PEG100K component. In the printed structures, the PEG-based hydrogel precursors are efficiently crosslinked using UV light of 365 nm and lithium-phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinat (LAP) as a Norrish Type-I photoinitiator. In the final product, the mechanical integrity, and rheological properties of the photo-crosslinked structures are dominated by PEG8KDMA component. Concerning the aimed applications, model grid structures are prepared by extrusion based printing and post-cured and evaluated concerning the printability of formulated solutions. On the base of the rheological properties of the respective solution, various manufacturing parameters, needle geometry, flow rate, and curing speed are tested. Some solutions consisting of PEG-based composition are suggested as advanced inks for cell encapsulation in extrusion-based 3D printing applications. In the last strategy, photolabile hydrogels containing a UV-labile crosslinker have been investigated. For this, photochemical properties of three different o-nitrobenzyl (NB)-based photo-labile crosslinkers are investigated initially in solution. Using UV-Vis spectrometry, important parameters such as the extinction coefficient, rate constant, and quantum yield of the photoreactions are determined. A photo linker (PLcarb) containing a carbamate-linked labile bond shows better photolytic activity than the others in terms of quantum yield. The compounds are copolymerized with acryl amide, forming photolabile hydrogels with varying degrees of crosslinking. In the gel state, photodegradation is examined by following the swelling response during or after UV irradiation at 365 nm. Finally, a top-down 3D photopatterning of photolabile P(AAm)-hydrogels is achieved through m-resolved multi-photon lithography under variation of the process parameters such as the pulse energy and the repetition rate. The possibility to pattern e. g. finely branched vascular systems into such biocompatible hydrogels is highly promising for the micro-scale engineering of hydrogels, e. g. for tissue engineering applications.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In dieser Arbeit wird das vielseitige Potenzial synthetischer, biokompatibler Polymere zur Herstellung wohldefinierter Hydrogele durch verschiedene Vernetzungsstrategien untersucht. In der ersten Strategie wird der Einsatz von Triblock-Copolymeren auf Basis von Poly(ethylenglykol) (PEG) und Polycaprolacton (PCL) als physikalischen Gelatoren untersucht. Dazu werden PCL-PEG-PCL-Triblock-Copolymere in verschiedenen Blocklängen durch Ringöffnungspolymerisation von -Caprolacton unter Verwendung von PEG-Diolen (> 8000 g mol-1) als Makroinitiator synthetisiert. Durch eine Kombination von Methoden wie Größenausschlusschromatographie (SEC) und Kernspinresonanzspektroskopie (1H-NMR) wurden die Synthesebedingungen und der Reinigungsprozess unter Verwendung von Toluol als selektivem Lösungsmittel optimiert, um gut definierte Produkte mit unimodaler Molmassenverteilung zu erhalten. Die gereinigten PCL-PEG-PCL-Triblock-Copolymere werden systematisch analysiert, wobei der Schwerpunkt auf ihrem Sol-Gel-Verhalten und ihren thermischen Eigenschaften liegt. In der nächsten Strategie wird PEG als Matrixmaterial für photovernetzte Netzwerke durch extrusionsbasierten 3D-Druck verwendet. Zu diesem Zweck wird Poly(ethylenglykol)dimethacrylat (PEG8KDMA) (8000 g mol-1) mit einem hohen Funktionalisierungsgrad als Vernetzungskomponente verwendet. Um die optimale Zusammensetzung für den Druckprozess zu finden, wird die Lösungsrheologie eingesetzt, sowohl mittels Rotations- als auch Kapillarrheometrie. Dabei erweist sich PEG100K (100000 gmol-1) als ein sehr guter Viskositätsverbesserer. Die systematische Untersuchung von wässrigen PEG8KDMA-, PEG100K- und deren binären PEG8KDMA/PEG100K-Lösungen mit unterschiedlichen Massenanteilen zeigt, dass das beobachtete komplexe Fließverhalten von der PEG100K-Komponente dominiert wird. In den gedruckten Strukturen werden die PEG-basierten Hydrogelvorläufer mit UV-Licht von 365 nm und Lithiumphenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinat (LAP) als Norrish Typ-I-Photoinitiator effizient vernetzt. Dabei wird deutlich, dass die mechanische Integrität und die rheologischen Eigenschaften der photovernetzten Strukturen im Endprodukt von der PEG8KDMA-Komponente dominiert werden. Im Hinblick auf die angestrebten Anwendungen werden Modellgitterstrukturen im Extrusionsdruckverfahren hergestellt und nachgehärtet, sowie die Verdruckbarkeit der formulierten Lösungen bewertet. Auf der Grundlage der rheologischen Eigenschaften der jeweiligen Lösung werden verschiedene Herstellungsparameter, wie z. B. die Nadelgeometrie, die Fließgeschwindigkeit und die Aushärtungsgeschwindigkeit getestet. Einige Lösungen, die aus einer PEG-basierten Zusammensetzung bestehen, werden als fortschrittliche Tinten für die Zellverkapselung in extrusionsbasierten 3D-Druckanwendungen vorgeschlagen. Im Rahmen der letzten Strategie wurden photolabile Hydrogele untersucht, die einen UV-labilen Vernetzer enthalten. Hierfür wurden die photochemischen Eigenschaften von drei verschiedenen photolabilen Vernetzern auf Basis von o-Nitrobenzyl (NB) zunächst in Lösung untersucht. Mittels UV-Vis-Spektrometrie werden wichtige Parameter wie der Extinktionskoeffizient, die Geschwindigkeitskonstante und die Quantenausbeute der Photoreaktionen bestimmt. Ein Photolinker (PLcarb), der eine carbamatverknüpfte labile Bindung enthält, zeigt hinsichtlich der Quantenausbeute eine bessere photolytische Aktivität als die anderen. Die Verbindungen werden mit Acrylamid copolymerisiert und bilden photolabile Hydrogele mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad. Schließlich wird die Photodegradation durch UV-Bestrahlung im Gelzustand untersucht, indem die Quellung der Gele in Wasser während oder nach UV-Bestrahlung bei 365 nm verfolgt wird. Schließlich wird eine Top-Down-3D-Photostrukturierung von photolabilen P(AAm)-Hydrogelen durch µm-aufgelöste Multi-Photonen-Lithographie unter Variation der Prozessparameter wie Pulsenergie und Wiederholungsrate erreicht. Die Möglichkeit, z. B. fein verzweigte Gefäßsysteme in solche biokompatiblen Hydrogele zu strukturieren, gilt als vielversprechend für das mikroskalige Engineering von Hydrogelen, z. B. für Tissue-Engineering-Anwendungen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Akinci, Caner UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-731566
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Physical Chemistry
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language functional polymers English hydrogels English light-based 3D printing English
Date of oral exam:	12 December 2023
Referee:	Name Academic Title Schmidt, Annette Prof.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73156