Light-based 3D printing of thiol-ene and methacrylate hydrogels

Abstract

Light-based 3D printing of photocrosslinkable hydrogel resins allows fabrication of complex sca:olds for tissue engineering and medical devices including the incorporation of cells. Fast and controlled crosslinking is necessary to fabricate sca:olds with customized properties, adequate resolution and high cell viability. This thesis investigates hydrogels formed by photo-initiated thiol-ene and methacrylate crosslinking and compares their properties and performance as (bio)resins in two light-based 3D printing methods. Photopolymerizable resins based on hyaluronic acid modified with allyl ether, methacrylate or norbornene groups are developed and their photocrosslinking kinetics, mechanical properties and printability are evaluated and compared using oscillatory shear rheology and layer-by-layer digital light processing. Low viscosity, fast crosslinking variants are further explored for tomographic volumetric bioprinting of cellloaded sca:olds with internal channels without addition of viscosity enhancers. Finally, the performance of methacrylate and thiol-norbornene polyvinyl alcohol-based resins for volumetric printing of high-resolution hydrogel devices is assessed. The results demonstrate the benefits and limitations of thiol-ene and methacrylate-based resins for light-based 3D printing of hydrogels of relevance for biomedical applications.

Der lichtbasierte 3D-Druck von photovernetzbaren Hydrogel-Tinten ermöglicht die Herstellung komplexer Strukturen für Tissue-Engineering und Medizinprodukte, in die auch Zellen eingeschlossen werden können. Eine schnelle, kontrollierte Vernetzung ist essenziell, um Strukturen mit definierten Eigenschaften, Präzision und hoher Zellviabilität zu gewährleisten. Diese Arbeit untersucht Hydrogele, die durch lichtinitiierte Thiol-En- oder Methacrylat-Vernetzung entstehen und vergleicht deren Eigenschaften als (Bio-)Tinten in zwei lichtbasierten 3D-Druckmethoden. Photovernetzbare Tinten auf der Basis von Hyaluronsäure, modifiziert mit Allylether-, Norbornen- oder Methacrylatgruppen, werden entwickelt und deren Vernetzungskinetik, mechanischen Eigenschaften und Druckbarkeit werden mittels oszillatorischer Scherrheologie und schichtweißem Digital Light Processing verglichen. Niedrigviskose, schnell vernetzende Varianten werden zusätzlich im tomographischen volumetrischen Biodruck von Strukturen mit internen Kanälen und eingeschlossenen Zellen ohne den Einsatz von Viskositätsmodifikatoren untersucht. Zuletzt wird die Leistungsfähigkeit von Methacrylat- und Thiol-Norbornen-funktionalisierten, Polyvinylalkohol-basierten Tinten für den volumetrischen Druck hochauflösender Hydrogel-Medizinprodukte untersucht. Die Ergebnisse zeigen Vorteile und Limitierungen von Thiol-En- und Methacrylat-Tinten für den lichtbasierten 3D-Druck von Hydrogelen für biomedizinische Anwendungen.