Bio-inspired 3D micro structuring of a liver lobule via direct laser writing: a comparative study with SU-8 and SUEX. - In: Journal of laser applications, ISSN 1938-1387, Bd. 34 (2022), 1, 012007, S. 012007-1-012007-12
Real biological tissues show a great variety of different geometric morphologies with special features on different geometric scales. An interesting example is the liver lobule that is the basic subunit of a liver. The lobule is a quasihexagonal macroscopic structure with periodic like so-called sinusoidal elements with structural features on the micro- and macroscale made of proteins, cells, and fluids. Various tools from micromachining and nanotechnology have demonstrated their capabilities to construct micromorphologies precisely, but even the reconstruction of such a system in technical polymers is challenging. In this work, the rapidly evolving technique of multiphoton polymerization has been explored for the construction of a scaffold that mimics the micromorphology of the liver with high resolution and detail up to the millimeter scale. At the end, a highly complex fluidically perfusable structure was achieved and simulations showed that the occurring shear stress, fluid velocity, and stream lines are comparable to the native liver lobule. Hereby, the photoresists SU-8 and SUEX TDFS were compared in terms of their processability, achievable resolution, and suitability for the intended application. Our results have shown that SUEX needs lower writing velocities but is easier to process and achieves a considerable higher resolution than SU-8. The scaffold could provide a base frame with a geometrically defined morphology for hepatic cells to adhere to, which could act as a starting point for cells to build new liver tissue for further integration in more complex systems.
https://doi.org/10.2351/7.0000433
Fabrication and characterization of microstructured scaffolds for complex 3D cell cultures. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (XII, 140 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
In einem natürlichen Gewebe wird das zelluläre Verhalten durch Stimuli der Mikroumgebung reguliert. Verschiedene chemische, mechanische und physikalische Reize befinden sich in einem lokalen Milieu und versorgen die Zellen mit einem biologischen Kontext. Im Vergleich zur in vivo Situation, zeigen Standard 2D in vitro Zellkulturmodelle viele Unterschiede in der zellulären Mikroumgebung und können infolgedessen eine Veränderung der Zellantwort verursachen. Die Schaffung einer physiologisch realistischeren Umgebung auf künstlichem Substrat ist ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung zuverlässiger Plattformen, die es den kultivierten Zellen ermöglichen, sich natürlicher zu verhalten. Daher sind neuartige Substrate auf Biomaterialbasis mit maßgeschneiderten Eigenschaften sehr gefragt. Die Mikrotechnik ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das bei der Herstellung der Funktionsgerüste hilft, um verschiedene Eigenschaften der in vivo Umgebung zu reproduzieren und auf in vitro Bedingungen zu übertragen. Die Gerüstkonstruktionsparameter können manipuliert werden, um die für das jeweilige Gewebe spezifischen Anforderungen zu erfüllen. Eine der grundlegenden Einschränkungen bei aktuellen Herstellungsverfahren ist jedoch die Unfähigkeit, mehrere Gerüsteigenschaften auf vorgefertigte Weise in eine einzelne Gerüststruktur zu integrieren. Diese Dissertation befasst sich mit Gerüstmikrofabrikations- und Oberflächenmodifikations-techniken, welche die Mikrostrukturierungstechnologie verwenden und die gleichzeitige Kontrolle über verschiedene Gerüsteigenschaften ermöglichen. Diese Ansätze bei der Mikrofabrikation von Polymergerüsten werden verwendet, um physikalische und chemische Eigenschaften bereitzustellen, die für die Leberzellkultur optimiert sind. Die physikochemischen Aspekte, die die zelluläre Mikroumgebung von Lebergewebe in vivo ausmachen, werden diskutiert und anschließend werden relevante Technologien vorgestellt, mit denen einige dieser Aspekte in vitro reguliert werden können. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein neuartiges zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Polymergerüsten mit mikroporöser Struktur und definierter Topographie gezeigt. Um 3D-Matrizen mit integrierter Porosität zu erhalten, wurde nach der Herstellung mikroporöser Folien ein Mikrostrukturierungsprozess unter Verwendung der Mehrschicht Polymer-Thermoformtechnologie durchgeführt. Diese Methoden wurden verwendet, um Substrate für die organotypische 3D-Hepatozytenkultivierung herzustellen. Poröse Gerüste mit Mikrokavitäten wurden aus lösungsmittelgegossenen und phasengetrennten Polymilchsäure (PLA) Folien gebildet. Die Proben wurden auf grundlegende mechanische und Oberflächenspezifische Eigenschaften sowie auf die Zellleistung untersucht. Um einen Bezugspunkt für die Bewertung der hergestellten Matrices bereitzustellen, wurden PLA-Gerüste mit zuvor beschriebenen Substraten auf Polycarbonat (PC)-Basis mit ähnlicher Geometrie verglichen. HepG2-Zellen, die in PLA-Gerüsten kultiviert wurden, zeigten eine gewebeartige 3D-Aggregation und eine erhöhte Sekretionsrate von Albumin im Vergleich zu PC-Gerüsten. Anschließend wurde dieses zweistufige Herstellungsverfahren verwendet, um schnell abbaubare Gerüste für die gerüstfreie Zellblatttechnik herzustellen. Gerüste mit kontrollierter Porosität und Topographie, die die Schlüsselmerkmale von Lebersinusoiden nachahmen, wurden aus Poly(milch-co-glykolsäure) (PLGA)-Copolymer hergestellt und für den in vitro Abbau in Zellkultur charakterisiert. Um die Beziehung zwischen dem Abbau des Gerüsts und der Organisation der Zellen in der PLGA-Matrix aufzudecken, wurde die Lebensfähigkeit und Morphologie der kultivierten Zellen zusammen mit der Morphologie des Gerüsts untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene technische Lösungen für die gerichtete Strukturierung mikroporöser Polymergerüste bewertet und ihre Eignung zur Erzeugung einer benutzerdefinierten lebenswichtigen oligozellulären Morphologie auf künstlichem Substrat vorgestellt. Besonderes Augenmerk wurde auf das 3D-Mikrokontaktdruckverfahren (3DµCP) gelegt, das die Vorteile des Mikrothermoformens und des Mikrokontaktdrucks kombiniert und eine räumlich-zeitliche Kontrolle über morphologische und chemische Merkmale in einem einzigen Schritt ermöglicht. Um das Potenzial dieser Technik aufzuzeigen, wurden Gerüste mit bestimmten Mikrostrukturen wie Kanäle mit verschiedenen Tiefen und Breiten sowie komplexere Muster hergestellt und verschiedene ECM-Moleküle gleichzeitig in die vordefinierten Geometrien übertragen. Die Gültigkeit des 3DµCP-Prozesses wurde durch mikroskopische Messungen, Fluoreszenzfärbung und Testen der Substrate auf Zelladhäsionsantwort gezeigt. Schließlich wird in dieser Arbeit die Herstellungsmethode zur Erzeugung komplexer Gerüste für die 3D- und gesteuerte Co-Kultivierung von Leberzellen vorgestellt. Polymermatrizen, die die grundlegende Leberarchitektur replizieren und somit eine gut organisierte Leberzellzusammensetzung ermöglichen, wurden erfolgreich unter Verwendung der 3DµCP-Methode hergestellt. Auf der Polycarbonatoberfläche wurden gleichzeitig chemische und topografische Leitfäden in Form sinusförmiger Strukturen strukturiert. Um die 3D-Gewebemikrostruktur zu replizieren, wurden EA.hy926- und HepG2-Zellen auf beiden Seiten des strukturierten porösen Gerüsts Co-kultiviert und anschließend einander gegenüber gestapelt, wodurch zugehörige Kanäle zur Bildung einer Kapillare führen. Das Potenzial unseres 3DµCP-strukturierten Gerüsts für die gerichtete Co-Kultivierung von Zellen wurde unter statischen Zellkulturbedingungen demonstriert. Am Ende wurden Gerüste für die weiteren Anwendungen im perfundierten Bioreaktorsystem angepasst.
https://doi.org/10.22032/dbt.50717
pH-dependent selective colorimetric detection of proline and hydroxyproline with Meldrum's acid-furfural conjugate. - In: Chemosensors, ISSN 2227-9040, Bd. 9 (2021), 12, 343, S. 1-13
Activated 2-furfural gives intense color formation when reacted with amines, due to a ring opening reaction cascade that furnishes a conjugated molecular system. Unique colorimetric characteristic of this reaction makes it an interesting candidate for developing chemosensors operating in visible range. Among many activated 2-furfural derivatives, Meldrum's acid furfural conjugate (MAFC) recently gained significant interest as colorimetric chemosensor. MAFC has been explored as selective chemosensor for detecting amines in solution, secondary amines on polymer surfaces and even nitrogen rich amino acids (AA) in aqueous solution. In this work, the pH dependency of MAFC-AA reaction is explored. It was found that proline gives an exceptionally fast colored reaction at pH 11, whereas at other pHs, no naked eye color product formation was observed. The reaction sequence including ring opening reaction upon nucleophilic addition of cyclic amine of proline resulting in a conjugated triene was confirmed by NMR titrations. The highly pH dependent reaction can e.g., potentially be used to detect proline presence in biological samples. An even more intense color formation takes place in the reaction of natural proline derivative 4-hydroxyproline. The detection limit of proline and 4-hydroxyproline with MAFC solution was found to be 11 [my]M and 6 [my)M respectively.
https://doi.org/10.3390/chemosensors9120343
Molecular characterization of hematopoietic stem cells after in vitro amplification on biomimetic 3D PDMS cell culture scaffolds. - In: Scientific reports, ISSN 2045-2322, Bd. 11 (2021), 21163, S. 1-14
Hematopoietic stem cell (HSC) transplantation is successfully applied since the late 1950s. However, its efficacy can be impaired by insufficient numbers of donor HSCs. A promising strategy to overcome this hurdle is the use of an advanced ex vivo culture system that supports the proliferation and, at the same time, maintains the pluripotency of HSCs. Therefore, we have developed artificial 3D bone marrow-like scaffolds made of polydimethylsiloxane (PDMS) that model the natural HSC niche in vitro. These 3D PDMS scaffolds in combination with an optimized HSC culture medium allow the amplification of high numbers of undifferentiated HSCs. After 14 days in vitro cell culture, we performed transcriptome and proteome analysis. Ingenuity pathway analysis indicated that the 3D PDMS cell culture scaffolds altered PI3K/AKT/mTOR pathways and activated SREBP, HIF1α and FOXO signaling, leading to metabolic adaptations, as judged by ELISA, Western blot and metabolic flux analysis. These molecular signaling pathways can promote the expansion of HSCs and are involved in the maintenance of their pluripotency. Thus, we have shown that the 3D PDMS scaffolds activate key molecular signaling pathways to amplify the numbers of undifferentiated HSCs ex vivo effectively.
https://doi.org/10.1038/s41598-021-00619-6
Cost-effective sensor for flow monitoring in biologic microreactors. - In: IEEE sensors journal, ISSN 1558-1748, Bd. 21 (2021), 19, S. 21314-21321
https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3102262
Colorimetric method for instant detection of lysine and arginine using novel Meldrum's acid-furfural conjugate. - In: ChemistrySelect, ISSN 2365-6549, Bd. 6 (2021), 27, S. 6834-6840
In the past few years Meldrum's acid furfural conjugate (MAFC) have been extensively explored as starting material for the synthesis of photo switchable donor acceptor stenhouse adducts (DASA). Hereby, we have explored the interaction of MAFC with various amino acids. To our surprise, nitrogen rich amino acids like lysine and arginine interact spontaneously with MAFC to give colored adduct immediately, whereas other amino acids, including nitrogen rich histidine, didn't show any coloration. Naked eye detection of lysine in benign solvent make this reagent an attractive new entry to the collection of chemosensors for the colorimetric detection of lysine and arginine. Intense coloration corresponds to the absorption at 514 nm under UV-Vis spectrometer. Lowest concentration of 100 m can be detected with UV-Vis spectrometer. NMR titrations reveals that the appearance of color is due to ring opening of a furfural that leads to the formation of conjugated triene species. Compared to previously reported chemosensors for lysine and arginine, MAFC offers advantages including simple synthesis, easy handling, high speed, low cost, good sensitivity/selectivity.
https://doi.org/10.1002/slct.202101140
Biomimetic reconstruction of the hematopoietic stem cell niche for in vitro amplification of human hematopoietic stem cells. - In: PLOS ONE, ISSN 1932-6203, Bd. 15 (2020), 6, e0234638, insges. 17 S.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0234638
Establishment of a lung cell Co-culture model for nanoparticle aerosol exposition. - In: Naunyn-Schmiedeberg's archives of pharmacology, ISSN 1432-1912, Bd. 393 (2020), 1, S. S56
https://doi.org/10.1007/s00210-020-01828-y
Vorhabensbezeichnung: VIP+-Nachbildung der Blutstammzellnische : Schlussbericht zu Nr. 3.2 : Laufzeit des Vorhabens: 01.05.2016 bis 30.09.2019 : Berichtszeitraum: 01.05.2016 bis 31.10.2019. - [Ilmenau] : TU Ilmenau. - 1 Online-Ressource (24 Seiten, 1,48 MB)Förderkennzeichen BMBF 03VP00591
https://doi.org/10.2314/KXP:1775832678
Biomimetic reconstruction of tissue structures using the example of the hematopoietic stem cell niche for the in vitro amplification of human hematopoietic stem cells. - In: Bone marrow transplantation, ISSN 1476-5365, Bd. 54 (2019), S. 365-366
P341
https://doi.org/10.1038/s41409-019-0559-4