A01 | Adhäsiv funktionalisierte und kontrolliert degradierende Alginat-basierte Hydrogele
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Ziel des Teilprojektes A01 ist die systematische Untersuchung und Optimierung von adhäsiven, mikrostrukturellen sowie der mikroskopischen und makroskopischen mechanischen Eigenschaften biofabrizierter hierarchischer Gewebeanaloga auf Alginatdialdehyd (ADA) Basis zur Steuerung gewünschten Zellverhaltens. Weiterhin soll das zeitliche Degradationsverhalten von Alginat-basierten Materialien für den erfolgreichen Neuaufbau einer zellgenerierten extrazellulären Matrix angepasst werden. Langfristig wollen wir eine gezielte Steuerung der zeitlichen Veränderungen von adhäsiven, mechanischen und strukturellen Hydrogeleigenschaften und des damit assoziierten zellbiologischen Verhaltens in Alginat-basierten Biofabrikaten erreichen.
A02 | Hyaluronsäure-basierte Hydrogelplattform mit multifunktionalen Vernetzern zur kontrollierten Differenzierung mesenchymaler Stammzellen
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Hyaluronsäure (HyA) ist eine Hauptkomponente der humanen Extrazellulärmatrix, jedoch fehlen bisher flexibel einsetzbare HyA-Materialien für die Biofabrikation. Das Ziel dieses Projekts ist daher die Entwicklung einer HyA-basierten Biotinten-Plattform mit multifunktionalen Vernetzern (PEG, Polyglycidol), die die kontrollierte Differenzierung mesenchymaler Stammzellen ermöglicht. Eine Modifikation mit Peptiden und Wachstumsfaktoren wird zusätzliche Biofunktionalität in die gedruckten 3D Konstrukte integrieren, um die chondrogene bzw. adipogene Differenzierung der Stammzellen zu verbessern. Langfristig sollen so Biotinten für die Entwicklung klinisch relevanter Gewebemodelle erhalten werden.
A03 | Thermogelierende Poly(2-oxazolin)-basierte Hydrogele mit temporaler mechanischer Kontrolle
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Das Teilprojekt hat zum Ziel eine synthetische, zellkompatible und modulare Biotinten-Plattform zu entwickeln. Hierfür werden lineare, Stern- und Bürstencopolymere auf Basis von Poly(2-oxazolin)en genutzt, welche sowohl thermo- als auch scherresponsiv sind. Für die Biofabrikation wird die Polymer-Plattform mit einem dualen Vernetzungsmechanismus ausgestattet, wodurch (i) die mechanische Stabilität durch orthogonale Verknüpfung nach dem Druck-Prozeß und (ii) die Modulation der Steifigkeit der Tinte während Zellkultur ermöglicht werden wird.
A04 | Erweiterung des Biofabrikationsfensters durch 2,5D-Gerüste aus maßgeschneiderten (AB)n-segmentierten Copolymeren
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Ziel des Projektes ist die Erweiterung des Biofabrikationsfensters von Biotinten durch Verwendung von 2,5D-Gerüsten, ein strukturell stabiles Substrat, welche beim Drucken von Biotinten eine bessere Präzision und Reproduzierbarkeit ermöglichen. Hierzu werden neue (AB)n-segmentierte Copolymere mit hydrophilen Weichsegmenten und supramolekularen Hartsegmenten entwickelt, die aus der Schmelze mittels Melt Electrospinning Writing verarbeitbar sind. Durch gezielte Quellung mit biologischen Medien können Hydrogelgerüststrukturen mit einem breiten Modulbereich und mit unterschiedlichen Zellinteraktionen realisiert werden. Dies ist mit gängigen Biofabrikationsverfahren bislang nicht möglich.
A06 | Zellbeladene Mikrogele als mechanischer Schutz und kontrollierte Mikroumgebung für Zellen in Biotinten
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Ziel dieses Projektes ist die Herstellung maßgeschneiderter zellbeladener Mikrogele mit einheitlicher Größe und deren Etablierung als Additiv für Biotinten. Die Mikrogele sollen zum einen als Schutz vor mechanischen Kräften während des Druckprozesses dienen und damit das Biofabrikationsfenster für Biotinten mit höheren Viskositäten und größere Scherkräfte öffnen. Des Weiteren soll durch biochemische Funktionalisierung und die Einstellung der Abbaubarkeit eine maßgeschneiderte Mikroumgebung für die Zellen geschaffen und deren Verhalten gesteuert werden. Langfristig sollen Mikrogelsuspensionen als Biotinte vor allem für den gleichzeitigen Druck verschiedener Zelltypen etabliert werden.
A07 | Faserverstärkte Hydrogele
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Das Teilprojekt bearbeitet die bilaterale Aufgabenstellung einer verbesserten Formstabilität und Zellverträglichkeit beim 3D-Biodruck durch Einsatz faserverstärkter Hydrogele als Biotinten. Dabei sollen elektrogesponnene Faserfragmente hergestellt werden, die sowohl als Zellträger als auch als Matrixverstärker eingesetzt werden können. Die morphologische Beschaffenheit der Fasern spielt sowohl für das Zellverhalten (Adhäsion, Proliferation, Ausrichtung) als auch die rheologischen und mechanischen Eigenschaften des Komposits (Fließverhalten, Spreitkinetik, Festigkeit) eine signifikante Rolle, die im Rahmen des Projekts analytisch untersucht werden soll. Anhand der Ergebnisse soll eine Methode zur materialübergreifenden systematischen Verbesserung von Biotinten etabliert werden.
B01 | Ultraweiche Matrixkomposite für die 3D Neuroglia in vitro Forschung
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Ultra-weiche Matrizen stellen für die Zellkultur wegen ihren schwachen strukturellen Eigenschaften eine große Herausforderung dar. Ultra-weichen Matrizen fördern jedoch die neuronale Netzwerkbildung. Das vorliegende Projekt benutzt 3D-gedruckte Strukturen, um diese ultra-weichen Matrizen mechanisch zu stabilisieren, so dass neugeformte neuronale Netzwerke 3D elektrophysiologisch analysiert werden können. Neben neuronalen Netzwerken werden Glioblastom Tumorzellen hinsichtlich ihrer gezielten Migration in ähnlichen ultra-weichen Matrix/Faser Kompositen untersucht, so dass langfristig Neurone, Astrozyten und Tumorzellen als Modellsystem für die Glioblastom Forschung benutzt werden können.
Prof. Dr. Paul Dalton
Prof. Dr. Reiner Strick
Prof. Dr. Carmen Villmann
B02 | Prä-endothelialisierte perfundierbare mikrovaskuläre Gefäßsysteme zur Biofabrikation standardisierter in vitro Gewebemodelle
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Ziel dieses Projektes ist die Biofabrikation perfundierbarer und vollständig präendothelialisierter mikrovaskulärer Netzwerke. Diese sollen durch Melt electrospinning writing (MEW) von thermosensitiven Polyoxazolin-Netzwerken hergestellt und dann in zellbeladene Hydrogele eingebaut werden. Dabei steht neben der Biokompatibilität der Hydrogele (Biotinten) die Auswahl von Mustern, die mit Mikroskopietechniken kompatibel sind, im Fokus. Da das mikrovaskuläre Endothel eine wichtige physiologische Barriere darstellt, werden wir die biologische Funktionalität der Endothelnetzwerke detailliert untersuchen. Mittel- bis langfristig sollen diese Netzwerke gewebespezifisch angepasst werden.
B03 | Simultanes Drucken von Biofabrikaten und maßgeschneiderten Bioreaktoren
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Aufgrund der Komplexität von Biofabrikaten, der Versorgung mit Nährstoffen und der Reifung des Biofabrikates, müssen gewebespezifische Bedingungen während der Kultivierung geschaffen werden. Der Schwerpunkt des TP B03 liegt in der Integration des Zelldruckverfahrens auf Basis von Hydrogel-Kompositen in ein Bioreaktorsystem. Das Biofabrikat und ein maßgeschneiderter Bioreaktor werden simultan gedruckt. Durch die Biofabrikation und einer generischen Bioreaktorplattform sowie deren Evaluation an einem konkreten Biofabrikationsprozess, der Herstellung von Muskelgewebe, soll eine effiziente Herstellung und Reifung von Biofabrikaten aufgezeigt werden.
B04 | 3D Druck vaskulärer Strukturen aus Gefäßwand-residenten Stammzellen
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Ziel dieses Teilprojektes ist die Biofabrikation künstlicher Gefäße mit einer hierarchischen Organisation und einer korrekten Wandschichtung aus Intima, Media und Adventitia. Dies soll durch die erstmalige Nutzung Gefäßwand-residenter Stammzellen (VW-SCs) für die Biofabrikation erreicht werden. VW-SCs besitzen die notwendige Plastizität und können in alle notwendigen Zelltypen differenzieren. Durch das Drucken VW-SC beladener Biotinten in selbstheilende Stützgele und den Einbau Gefäßwand-spezifischer Matrixkomponenten sowie die Perfusion der Strukturen sollen so mittel- bis langfristig komplexe hierarchische Gefäßsysteme biofabriziert werden können.
B05 | Glycoengineering als Werkzeug zur Steuerung des Verhaltens mesenchymaler Stammzellen bei der Biofabrikation
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Die Modellierung der Mikroumgebung von Zellen mit Hilfe von Glycosyltransferasen / Glycosidasen und synthetischen Zuckern ist ein neues Werkzeug für die Entwicklung von Biotinten sowie die transiente Modifikation von Zelloberflächen. Es sollen einerseits Biotinten durch Glycoengineering so funktionalisiert werden, dass Zellen selektiv adhärieren und differenzieren und andererseits die extrazelluläre Glycocalyx moduliert und/oder eine schützende Polysaccharidschicht angelagert werden, um die Zellen vor während des Druckprozesses entstehenden Scherkräften zu schützen. Langfristiges Ziel ist es, durch Glycoengineering Zellen und Biotinten so zu modifizieren, dass das Postfabrikationsverhalten von Zellen in biofabrizierten Konstrukten optimiert wird.
B06 | Reporterkonstrukte und Reporterzellen zur Untersuchung von zellulärer Stressantwort und Signaltransduktionsprozessen bei der Biofabrikation
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TP B06 analysiert, welchen Stressbedingungen Zellen während des Druckvorganges, sowie im reifenden Biofabrikat ausgesetzt sind, und wie diese das Zellverhalten steuern. In Alginat-basierten Biofabrikaten hergestellt mittels Bioplotten und Titenstrahldrucken, werden mit Hilfe von lentiviralen, fluoreszenz-basierten Reporterkonstrukten und -zellen die Stressantworten verschiedener Zelltypen in Abhängigkeit von Druckbedingungen, Ligation spezifischer Integrine und Matrix-Steifigkeit analysiert. Die Stressantworten werden mit der Aktivität verschiedener Integrin-abhängiger Signalprozesse korreliert, um molekulare Mechanismen identifizieren, analysieren und modulieren zu können.
B07 | Entwicklung eines Mikropartikel-Sensorsystems für die Korrelation mechanischer Belastung während der Biofabrikation mit Zellfunktionalität
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Hydrodynamische Kräfte beim Drucken können Zellen nachhaltig schädigen, ihre Stärke ist jedoch weitgehend unbekannt. Hier sollen Sensorpartikel (Mikrokapseln, Mikrogele) entwickelt werden, die im Zusammenspiel mit Computersimulationen diese Wissenslücke schließen. Hierbei geben die Sensorpartikel Aufschluss über die Deformation und die entsprechenden Simulationen erlauben einen Rückschluss auf die mechanische Belastung. Der Vergleich mit lebenden Zellen wird es uns schließlich ermöglichen, Deformation, mechanische Belastung und Zellschädigung in direkte Beziehung zu einander zu setzen.
Dr. Krystyna Albrecht
Prof. Dr. Stephan Gekle
Prof. Dr. Andreas Fery
B08 | Zeitaufgelöste biophotonische Untersuchungen von zellulärem Signaling, Zell-Matrix-Interaktionen und Matrix-Remodeling-Mechanismen in Biofabrikationskonstrukten
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Im TP sollen optische und bioverfahrenstechnische Grundlagen für Technologien entwickelt werden, um im Verbund biofabrizierte Konstrukte dem Studium der Konstruktreifung in situ und der Regulation der Matrix-Zell-Schnittstelle zuführen zu können. Hierzu soll (i) eine Kombinationstechnologie von hochauflösender und tiefenpenetrierender Multiphotonen- und light sheet Mikroskopie zu einer 2-Photonen-single-plane-illumination Mikroskopie (2P-SPIM) zusammengeführt werden und (ii) repositionierbare und mobile Mini-Bioreaktorsysteme gebaut und an ausgewählten Biofabrikaten im Verbund validiert werden. Wissenschaftlich soll hier (iii) die 3D-Anordnung von fokalen Verankerungs-Proteinen der Zellen in der Konstruktmatrix sowie die Matrixproduktion im Zeitverlauf visualisiert werden.
Prof. Dr. Dr. Andreas Beilhack
Prof. Dr. Dr. Oliver Friedrich
C01 | Biofabrikation von Herzersatzgewebe auf Basis einer Biotinte aus Spinnenseidenproteinen
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Herzerkrankungen stellen eine große sozioökonomische Belastung dar. Trotz erheblicher Fortschritte in der Vorbeugung und Minimierung von Herzschäden nimmt die Prävalenz der Herzinsuffizienz kontinuierlich zu. Ziel dieses Teilprojektes ist die reproduzierbare Herstellung von menschlichem Herzersatzgewebe basierend auf einem Gerüst mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften aus Spinnenseiden-Biotinte und kardialen Zellen mittels 3D-Druck-Technologie. Längerfristiges Ziel ist die Behandlung von Herzerkrankungen.
C02 | Biofabrikation eines 3D Modells zur funktionalen Untersuchung stromaler Einflussfaktoren auf das Verhalten von Brustkrebszellen
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Ziel von Teilprojekt C02 ist die Biofabrikation eines komplexen Tumor-Stroma-Modells um das Verhalten von Brustkrebszellen in Abhängigkeit von stromalen Einflussfaktoren zu untersuchen. Dafür werden basierend auf innovativen 3D Druckverfahren im Baukastenprinzip Brustkrebs- und Stromazellen in einer komplexen 3D Matrix, deren physikochemische Eigenschaften gezielt kontrolliert werden können, kombiniert. Dieser modulare Ansatz erlaubt es, relevante Aspekte der Tumormikroumgebung zu rekapitulieren und mechanistische Einblicke über die Rolle von Tumor-Stroma-Interaktionen bei der Tumorigenese zu gewinnen.
C03 | Analyse von Tumor Dormancy und Progression in biofabrizierten und in vivo vaskularisierten 3D Modellen
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Mittels der Biofabrikation soll ein 3D-Tumormodell entwickelt werden, in welchem Einzelaspekte der Tumorprogression sowohl in vitro als auch im vaskularisierten in vivo AV loop Modell in kontrollierter Weise untersucht werden können. Im Speziellen sollen durch die Etablierung dieses hoch definierten biofabrizierten Melanom-Tumormodells wesentliche Tumoreigenschaften wie Tumor Dormancy und Metastase aber auch der Einfluss des Tumormikromilieus untersucht und erstmalig auch gezielt modifiziert und kontrolliert werden.
Prof. Dr. Andreas Arkudas
Prof. Dr. Anja Boßerhoff
Dr. Annika Kengelbach-Weigand
C04 | Biofabrikation zellularisierter und im AV Loop vaskularisierter Gewebecontainer für die Transplantation wirkstoffproduzierender Zellen
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Ziel des Projekts ist es einen breit einsetzbaren transplantierbaren Gewebecontainer zu entwickeln, der die Produktion von rekombinanten therapeutischen Proteinen, z.B. Antikörpern, in vivo erlaubt. Hierzu soll eine Containerhülle mit zwei gedruckten Matrixzylindern beschickt werden, die mit einem Röhrensystem strukturiert sind und Produzentenzellen enthalten. Diese Zylinder enthalten ein Bett, in dem in vivo eine Gefäßschleife gelegt werden kann, die dann in das Röhrensystem aussprossen kann, um so die essentielle Vaskularisierung des Containers zu erlauben. Die Vaskularisierung des Containers im Bioreaktor, die Optimierung seiner „immunologischen“ Eigenschaften und Testung in präklinischen Krankheitsmodellen sind dann die Zielsetzungen in zukünftigen Förderperioden.
