Microfluidic-based microgels for biomedical applications

Guerzoni, Luis Paulo Busca; De Laporte, Laura (Thesis advisor); Möller, Martin (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

In dieser Dissertation habe ich drei verschiedene mikrofluidische Plattformen entwickelt, um zellbeladene kugelförmige, zellbeladene anisometrische Mikrogele und Mikrogelkapseln als Wirkstoffabgabesysteme herzustellen. In Kapitel 2 habe ich zum ersten Mal die Verkapselung von Kardiomyozyten aus humaninduzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC-CM) in Poly(ethylenglycol) (PEG)-basierten Mikrogelen durchgeführt, die durch Mikrofluidik erzeugt wurden. Mikrogele enthielten ein Matrix-Metalloproteinase (MMP)-sensitives Crosslinker-Peptid zum Abbau. Die schichtweise (LbL) Ablagerung von Fibronektin (FN) und Gelatine (G) Molekülen auf einzelnen Zellen zur Bildung eines extrazellulären Matrix (ECM) Nanofilms auf den Zelloberflächen vor der Einkapselung verbessert die Zell-Zell-Interaktionen und folglich die Lebensfähigkeit und Funktionalität von gekapselten hiPSC-CMs. Dies hat zu funktionell schlagenden kardialen Minigeweben geführt. In Kapitel 3 habe ich eine neuartige Methode zur Herstellung monodisperser anisometrischer PEG-Mikrogele mittels Klickchemie und Mikrofluidik entwickelt, die das Potenzial haben, als biokompatibles Gerüst für die Zellverkapselung mit kontrollierter Direktionalität verwendet zu werden. Fließverhältnisse kontrollierten die Seitenverhältnisse der Mikrogele und eine Variation der anfänglichen Präpolymerkonzentration führte zu den mechanischen Eigenschaften der unterschiedlichen Mikrogele. Die anisometrischen Mikrogele zeigten einen homogenen Vernetzungsgrad, der durch Kryo-Rasterelektronenmikroskopie (Kryo-SEM) und Stimulated Emission Depletion (STED)-Mikroskopie bewertet wurde. Eingekapselte normale humane dermale Fibroblasten (NHDFs) blieben lebensfähig und wanderten durch die Struktur der anisometrischen Mikrogele. In Kapitel 4 wurde eine Mikrofluidiktechnik zur kontinuierlichen Herstellung stabiler, monodisperser Wasser-in-Öl-in-Wasser (W/O/W) Doppelemulsionströpfchen entwickelt. Ein mehrarmiges PEG-Acrylat-Prepolymer wurde in der mittleren Ölphase gelöst und unter UV-Licht zu Mikrogelkapseln vernetzt. Diese Mikrogelkapseln hatten einen wässrigen Kern, der die Einkapselung großer Mengen hydrophiler Biomoleküle während der Mikrofluidik-Produktion ermöglichte (virtuelle 100 % Einkapselungseffizienz). Die Schalendicke von Mikrogelkapseln und deren Gesamtdurchmesser wurden durch Variieren der Flussraten abgestimmt. Die Morphologie und Dicke der Schalenwurden durch Kryo-SEM bestimmt und die Retention und Freisetzung von 10 kDa Fluoresceinisothiocyanat (FITC)-Dextran wurden mittels Fluoreszenzmikroskopie überwacht. Die Ergebnisse dieser Dissertation dienen möglicherweise als Inspiration für weitere Forschungen, bei denen der Fokus auf der kontinuierlichen Herstellung von formkontrollierten Mikrogelen liegt, die durch minimalinvasive Techniken entweder als Zell- oder Wirkstoffträger in verletztes oder geschädigtes Gewebe eingebracht werden können, mit das große Potenzial der kontrollierten Freisetzung ihrer Ladung.

Einrichtungen

• Fachgruppe Chemie [150000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Advanced Materials for Biomedicine [156420]
• [811001-1]