Projekte - SFB TRR 225 biofab

A01 | Alginat-basierte Biotinten mit maßgeschneiderten mikrostrukturellen Eigenschaften für kontrolliertes Zellverhalten

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Ziel des Teilprojektes A01 ist die Modifikation von adhäsiven, mikrostrukturellen sowie der mikroskopischen und makroskopischen mechanischen Eigenschaften biofabrizierter hierarchischer Gewebeanaloga auf Alginat-Basis zur Steuerung gewünschten Zellverhaltens. Dieses Ziel wird durch die Einstellung der Porosität mittels Opferstrukturen und durch das Einbringen lokaler durotaktischer Gradienten mittels (core/shell) Zweiphasendrucks erreicht. Durch das gleichzeitige Drucken von Biotinten mit unterschiedlichen mechanischen, adhäsiven und strukturellen Eigenschaften, die mit verschiedenen Zelltypen beladen sind, kann ein hoher Grad an Komplexität erreicht werden, um Durotaxis, Zellmigration, Zelldifferenzierung und Gewebestrukturbildung zu steuern.

Prof. Dr. Aldo R. Boccaccini
Prof. Dr. Ben Fabry

A02 | Hyaluronsäure-basierte Biotintenplattform mit multifunktionalen Vernetzern zur kontrollierten Differenzierung mesenchymaler Stammzellen

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Hyaluronsäure (HA) ist eine Hauptkomponente der humanen Extrazellulärmatrix, jedoch fehlen bisher flexibel einsetzbare HA-Materialien für die Biofabrikation. Das Ziel dieses Projekts ist daher die Entwicklung einer HA-basierten Biotintenplattform mit multifunktionalen Vernetzern (PEG, modifizierte Biopolymere), die die kontrollierte Differenzierung mesenchymaler Stammzellen ermöglicht. Durch die Modifikation mit Peptiden und Wachstumsfaktoren sowie die Verarbeitung zu Gradientenmaterialien wird die Entwicklung kohärenter Gewebe in den gedruckten 3D Konstrukten zusätzlich gefördert. Langfristig sollen so Biotinten für die Entwicklung klinisch relevanter Gewebemodelle erhalten werden.

Prof. Dr. Torsten Blunk
Dr. habil. Jörg Teßmar

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.

Prof. Dr. Stephan Förster
Prof. Dr. Jürgen Groll

A07 | Einfluss der Anisotropie faserverstärkter Biotinten auf die Druckbarkeit und das Zellverhalten

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In Teilprojekt A07 werden mittels Elektrospinnen Submikronfasern hergestellt, die sich als Füllstoffe in Komposit-Biotinten verdrucken lassen. Durch die Faserverstärkung können die Polymerkonzentrationen der Hydrogele unter Erhaltung der Formtreue beim Druck reduziert werden, wodurch die Zellmobilität im Konstrukt gewährleistet werden soll. Zudem können strömungsinduziert anisotrop ausgerichtete Fasern als Adhäsionsgrundlage zum orientierten Zellwachstum beitragen. Basierend auf der ersten Förderperiode sollen nun durch Fortentwicklung der Faser-Matrix-Rezepturen zellspezifische Reaktionen identifiziert, und eine Erweiterung der Scherrheologie auf druckspezifische dehnrheologische Modelle durchgeführt werden.

Prof. Dr. Gregor Lang
Prof. Dr. Dirk Schubert
Dr. Natascha Schäfer

A08 | Gefäßversorgung für 3D-Gewebe basierend auf formverändernden Polymeren und rekombinanten Spinnenseiden

Ziel dieses Projektes ist die Herstellung von hierarchisch strukturierten Geweben mit integrierten faserbasierten Leitstrukturen, die der Matrix anisotrope Eigenschaften für gerichtetes Zellwachstum geben, sowie mit röhrenförmigen Elementen für die Nährstoff- und Sauerstoffversorgung. Zur Realisierung des Vorhabens sollen verschiedene Fabrikationsmethoden wie z.B. 4D-Biofabrikationsansätze und etablierte 3D-Druck- und Faserspinnverfahren kombiniert werden. Die integrierten Röhrenstrukturen sollen zudem eine Grundlage für eine spätere Vaskularisierung der Konstrukte nach Gewebereifung liefern.

Prof. Dr. Thomas Scheibel
Prof. Dr. Leonid Ionov

B02 | Endothelialisierte perfundierbare mikrovaskuläre Gefäßsysteme zur Biofabrikation standardisierter in vitro Gewebemodelle

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Ziel dieses Projektes ist die Biofabrikation von perfundierbaren und endothelialisierten mikrovaskulären Netzwerken, die mittels MEW von herauslösbaren thermosensitiven Polyoxazolinen hergestellt werden sollen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Anpassung der Netzwerkgeometrie und der umgebenden zellbeladenen Hydrogelen an die gewebespezifischen Anforderungen der B- und C-Projekte sowie auf das Design geeigneter mikroskopkonformer Bioreaktoren gelegt. Darüber hinaus sind umfangreiche Untersuchungen der Endothelfunktion in den hergestellten Gewebemodellen geplant, einschließlich Angiogenese, Interaktionen mit zirkulierenden Zellen, Barrierefunktion und Regulation physiologischer Prozesse der in den Hydrogelen enthaltenden Zellen.

Prof. Dr. Iwona Cicha
Prof. Dr. Jürgen Groll

B03 | Druck von Biofabrikaten und individuell angepassten Bioreaktoren für Skelettmuskelgewebe

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Ziel des Teilprojektes B03 ist die Entwicklung von verschiedenen Kompositbiotinten mit ionenfreisetzenden Partikeln und elektrisch leitfähigen Füllstoffen für das Biodrucken von Skelettmuskelgewebe. Grundlegens sollen synergistische Stimulation von Zellen und Zellwachstum durch elektrische sowie biochemische Faktoren zur Bildung des hochreifen Muskelgewebes in vitro untersucht werden. Dazu soll zusätzlich mittels additiver Fertigung ein Bioreaktor mit komplexen Strukturen und Funktionen entwickelt werden, der gewebespezifisch ist und zur elektromechanischen Stimulation von Skelettmuskelgewebe eingesetzt werden kann.

Prof. Dr. Aldo Boccaccini
Dr. Sahar Salehi
Prof. Dr. Frank Döpper

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.

Prof. Dr. Süleyman Ergün
Prof. Dr. Jürgen Groll

B05 | Membran-Engineering als Werkzeug zur Steuerung des Verhaltens mesenchymaler Stammzellen bei der Biofabrikation

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Die Interaktion von Zellen mit Biotinten, sowie die direkte Zell-Zell Interaktion, ist essenziell für die Biofabrikation von Gewebekonstrukten. Dieses Projekt zielt darauf ab, durch Zelloberflächenmodifikationen mittels Membran-Engineering den während des Druckprozesses entstehenden Scherstress zu verringern, die Proliferation der Zellen im Hydrogel zu steigern, eine Zell-Zell Aggregation und Sphäroidbildung zu beeinflussen und die Interaktion der Zellen mit der Biotinte durch Kopplung eines spezifischen Galectin-1 Liganden zu optimieren. Langfristiges Ziel ist es, durch Membran-Engineering Zellen und Biotinten so zu modifizieren, dass das Postfabrikationsverhalten von Zellen in biofabrizierten Konstrukten optimiert wird.

Prof. Dr. Regina Ebert
Prof. Dr. Jürgen Seibel

B06 | Reporter-konjugierte Biotinten zur Untersuchung von zellulären Interaktionen in der Biofabrikation

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Ziel des TP B06 ist die Entwicklung einer modular aufgebauten Reportertinte für die Biofabrikation. Im Detail sollen die Wechselwirkungen von Zellen über integrierte Reporterfunktionen in der Biotinte nach dem Druckprozess systematisch untersuchen werden. Hierfür soll eine Reportertintenplattform entwickelt werden, die präzise druckbar ist, stabile 3D Konstrukte liefert und ortspezifisch modifiziert werden kann, um die Reporter für Zelladhäsion und proteolytischen Abbau funktional einbauen zu können. Langfristig soll die Reportertinte Einblicke in biochemische und biomechanische Prozesse während der Reifung der Zellen in 3D Konstrukten ermöglichen.

Prof. Dr. Tessa Lühmann
Dr. Rainer Detsch

B07 | Entwicklung von Sensorpartikeln und Computersimulationen zur Bestimmung der mechanischen Zellspannung während der Biofabrikation

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Hydrodynamische Kräfte können Zellen schädigen. Hier werden mikrogelbasierte Sensorpartikel entwickelt, um zusammen mit Computersimulationen die mechanische Belastung von Zellen beim Biodruck zu verstehen. Mikrofluidikexperimente untersuchen zunächst die Scherbelastung in prototypischen Situationen. Darauf aufbauend wird ein gläserner Druckkopf entwickelt, um die Deformation der Zellen/Sensorpartikel in-situ während des Druckens zu verfolgen. Der Vergleich zwischen Sensorpartikeln und Zellen wird es in Kombination mit passenden Modellierungsansätzen erlauben, passive mechanische von aktiven biologischen Beiträgen zur Zellantwort zu unterscheiden.

Dr. Krystyna Albrecht
Prof. Dr. Stephan Gekle
Prof. Dr. Georg Papastavrou

B09 | Biofabrizierte Gradienten für funktionale Ersatzgewebe

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Ziel dieses Projekts ist es, eine Plattformtechnologie zu entwickeln, um in Raum und Zeit klar definierte und reproduzierbare Gradienten herzustellen, diese zu analysieren und in silico zu modellieren, um ihre Auswirkung auf Zell-Biomaterial-Interaktionen untersuchen zu können. Hierfür sollen zunächst Druckköpfe entwickelt werden, mit denen sich kontrolliert Übergänge von Materialien aus den A-/B-Projekten, Wirkstoffen und Zellen erzeugen lassen. Durch die umfassende Charakterisierung der gedruckten Gradienten mithilfe mechanischer Testmethoden in Kombination mit bildgebenden Verfahren wird das Ergebnis bezüglich der Anforderungen der C-Projekte stetig analysiert und verbessert. Zusätzlich werden kontinuumsmechanische Modellierung und Simulation gezielt eingesetzt, um Prozessparameter, das Druckmuster und die 3D-Anordung im Konstrukt zu optimieren.

Dr. Tomasz Jüngst
Dr.-Ing. Silvia Budday

C01 | Biofabrikation von Herzersatzgewebe auf Basis einer Biotinte aus Spinnenseidenproteinen

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Herzerkrankungen stellen eine große sozioökonomische Belastung dar. Trotz Fortschritten in der Vorbeugung und Minimierung von Herzschäden nimmt die Prävalenz der Herzinsuffizienz stetig zu. Ziel dieses Teilprojektes ist die reproduzierbare Herstellung von hierarchisch organisiertem menschlichem Herzersatzgewebe aus hiPSC-differenzierten kardialen Zellen mittels 3D-Druck Technologie basierend auf in der ersten Förderperiode entwickelten Spinnenseidenproteinen, ausgerichteten Fasern und perfundierbaren Röhrenstrukturen. Längerfristiges Ziel ist die Behandlung von Herzerkrankungen.

Prof. Dr. Felix Engel
Prof. Dr. Thomas Scheibel

C02 | Biofabrikation eines 3D Modells zur funktionalen Untersuchung stromaler Einflussfaktoren auf das Verhalten von Brustkrebszellen

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Ziel des Projekts ist die Biofabrikation eines komplexen Tumor-Stroma-Modells um das Verhalten von Brustkrebszellen in Abhängigkeit von stromalen Einflussfaktoren zu untersuchen. Unter Verwendung von 3D Druckverfahren und Biotinten mit gezielt kontrollierbaren physikochemischen Eigenschaften werden die Interaktionen von Brustkrebs- und Stromazellen insbesondere bezüglich der Zusammenhänge von Tumorzellmigration, Proteinsekretion und ECM-Remodellierung untersucht. Der modulare Ansatz erlaubt es, relevante Aspekte der Tumormikroumgebung zu rekapitulieren und mechanistische Einblicke in die Rolle von Tumor-Stroma-Interaktionen in der Tumorigenese zu gewinnen.

Prof. Dr. Ben Fabry
Prof. Dr. Torsten Blunk

C03 | Analyse von Tumor Dormancy und Progression von biofabrizierten vaskularisierten 3D Modellen

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Ziel der zweiten Förderperiode sind die in vitro Biofabrikation von in vivo-nahen Tumormodellen sowie die in vivo Testungen der Tumormodelle im vaskularisierten System der arteriovenösen Gefäßschleife (AV-Loop) der Ratte. Ein besonderes Augenmerk wird weiterhin auf Dormancy und Progression der Tumore und auf Einflüssen des Mikroenvironments liegen. Hierzu werden basierend auf den bisherigen Erfahrungen mittels Biofabrikation komplexere Tumore mit unterschiedlichen Arealen, Steifigkeiten und Zelltypen nachgebildet und das Verhalten der Tumorzellen auch auf molekularer Basis analysiert.

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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Langfristiges Ziel dieses Teilprojektes ist die Etablierung eines therapeutischen Gewebecontainers, der in vivo eine kontinuierliche Freisetzung von Biologicals zur Behandlung von Autoimmun- und Tumorerkrankungen ermöglicht. Als Modelltherapeutikum dient TNFR2-Fc, welches dem im klinischen Alltag eingesetzten TNF-Blocker Enbrel® entspricht. Mit Hilfe bereits etablierter Biotinten aus der ersten Förderperiode werden mit Produzentenzellen dotierte, strukturierte Container- bzw. Container-Inlets gedruckt, die eine beschleunigte Vaskularisation in vivo im AV Loop erlauben. So soll eine anhaltende stabile Biological-Produktion und -Freisetzung in vivo erreicht werden. Die therapeutische Wirksamkeit des Gewebecontainers wird im Pristan-induzierten Arthritismodell in der Ratte evaluiert.

Prof. Dr. Dr. h.c. Raymund Horch
Prof. Dr. Harald Wajant

C05 | Ultraweiche Hydrogele für die molekulare und biologische Funktionsanalyse von Zell-Matrix und Zell-Zell 3D-Netzwerken in neuronalen Zellkultursystemen

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Die in der ersten Antragsperiode etablierten 3D-Matrix-Komposite bestehend aus im Verbund generierten ultraweichen Hydrogelen (100-150 Pa) mit MEW Fasern und einzelnen Zelltypen (Neuronen, Astrozyten, Hirntumorzellen) werden als Modellsystem für das molekulare Verständnis der Zell-Zell Interaktionen zwischen primären neuronalen und Glioblastomzellen weiterentwickelt. Der Fokus liegt dabei auf dem Einfluss der Mikroumgebung, wie Matrix, Gerüst und der daraus resultierenden Biomechanik auf die Tumorprogression in Ko-Kulturen sowie Sphäroiden aus gesunden Nerven- und Tumorzellen.

Prof. Dr. Reiner Strick
Prof. Dr. Carmen Villmann

C06 | Biofabrikation eines funktionalen Glomeruli ex-vivo Modells durch stufenweise strukturelle Nachahmung funktionaler Kernkomponenten

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Mithilfe der Kombination von top-down Fabrikationsmethoden und bottom-up Strategien werden wir ein 3D ex vivo Modell des Glomerulus generieren. Hierfür werden wir zunächst das Verhalten glomerulärer Endothelzellen und Podozyten in einem Co-Kulturmodell an einer artifiziellen Basalmembran untersuchen. Anschließend werden wir die Geometrie des Glomerulus strukturell nachahmen, indem wir mesangiale Sphäroide gezielt zwischen Kapillarschlingen bestehend aus Endothelzellen, artifizieller Basalmembran und Podozyten einbauen (Bioassembly). So wollen wir den Effekt der 3D-Struktur auf die Selbstorganisation, Reifung, parakrine Zellinteraktion und Bildung extrazellulärer Matrix untersuchen.

Prof. Dr. Janina Müller-Deile
Dr. Taufiq Ahmad

Z01 | Zentrale Aufgaben

Das Teilprojekt „Zentrale Aufgaben“ (Geschäftsführung) plant und koordiniert die Forschungsprogramme der einzelnen Teilprojekte und die Veröffentlichungen, bearbeitet die verwaltungstechnischen Aufgaben des SFB, insbesondere die Zusammenarbeit mit der Deutschen Forschungsgemeinschaft und ist für die gesamte Außendarstellung des Sonderforschungsbereichs und Kooperationen zuständig.

Wesentliche Aufgaben des Teilprojekt Z sind die Überwachung der Einhaltung vereinbarter Budgets der einzelnen Teilprojekte im SFB/TRR225 mit Hilfe geeigneter Controlling-Instrumente. Weitere Aufgaben sind:

Allgemeine Verwaltungsaufgaben
Übersicht der Gesamtfinanzen des Sonderforschungsbereichs, Erstellung der Verwendungsnachweise, Personaleinstellungen und -entlassungen, Buchhaltung für die verschiedenen Teilprojekte, Bestellvorgänge, Registratur, Inventarisierung, allgemeine Korrespondenz, Einrichtung und Pflege eines World-Wide-Web Servers zur internationalen Präsentation des SFB über elektronische Medien und zur Vereinfachung des Informationsaustausches innerhalb des Sonderforschungsbereichs.

Administrative Koordination der Forschung der Teilprojekte
Administrative Koordination der Forschungsaktivitäten, Erstellung regelmäßiger Fortschrittsberichte, Durchführung und Aktualisierung des Projektmanagements, Teilnahme an Arbeitskreissitzungen, Organisation und Durchführung der regelmäßigen Versammlungen gemäß der Ordnung des Sonderforschungsbereichs insbesondere der Vorstandssitzungen, administrative Koordination und Zusammenstellung der Forschungsberichte einschließlich aller anfallenden Arbeiten zur Herausgabe der Berichte und Forschungsanträge, Durchführung von Symposien, Konferenzen und Seminaren.

Allgemeine Öffentlichkeitsarbeit

Tätigkeiten als Pressestelle des Sonderforschungsbereichs, Unterstützung bei der Organisation und Ausrichtung von Veranstaltungen zur Präsentation des SFB in der breiten Öffentlichkeit, Präsentation des SFB auf Tagungen.

Dr. Jennifer Ritzer
Eva Hilpert

Z02 | Quantitative Bildgebung und Analyse der Fabrikationsqualität und Reifung von Biofabrikaten

Ziel des neuen Projekts Z02 ist die Entwicklung und Bereitstellung standardisierter Methoden der Akquise, Verarbeitung und Analyse von Bilddaten für den gesamten Verbund, ausgehend von ausgewählten Modellsystemen der Verbundbereiche B und C. Dabei werden Lösungen zu Probenhalterung und (Fluoreszenz-)Bildaufnahme, z.B. maßgeschneiderte Lichtblattmikroskopie, sowie zu Bildverarbeitung und -analyse, unter Beachtung der besonderen Anforderungen der Biofabrikate, im Vordergrund stehen. Eine Kreuzvalidierung komplementärer Bildgebungsmethoden der drei beteiligten Labore wird es erlauben, robuste und vergleichbare Protokolle für den gesamten Verbund zu etablieren.

Prof. Dr. Katrin Heinze
Prof. Dr. Dr. Oliver Friedrich
Prof. Dr. Matthias Weiss

Z03 | Fluoreszente Reporterzellen für das live-cell Imaging in der Biofabrikation

TP Z03 stellt allen Teilprojekten im Verbund Reporterzellen und –systeme zur Verfügung, welche Stressbedingungen der Zellen während des Druckvorganges, sowie im reifenden Biofabrikat messbar machen. Mit Hilfe von lentiviralen, fluoreszenz-basierten Reporterkonstrukten und -zellen können die (molekularen) Reaktionen verschiedener Zelltypen in Abhängigkeit von verwendeten Biomaterialen, Druckbedingungen, Matrix-Steifigkeit usw. analysiert werden.

Prof. Dr. Anja Bosserhoff

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.

PD Dr. Tessa Lühmann
Prof. Dr. Robert Luxenhofer

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.

Prof. Dr. Hans-Werner Schmidt
Prof. Dr. Paul Dalton

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