Enhancement of geometric complexity and predictability of melt electrowriting for biomedical applications

• Main Author: Hrynevich, Andrei
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2021
• Subjects: Elektrospinnen; 3D-druck; Tissue Engineering; ddc:600
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/24764; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-247642; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-247642; https://doi.org/10.25972/OPUS-24764; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/24764/Hrynevich_Andrei_Dissertation.pdf

This thesis encompasses the development of the additive manufacturing technology melt electrowriting, in order to achieve the improved applicability in biomedical applications and design of scaffolds. Melt electrowriting is a process capable of producing highly resolved structures from microscale fibres. Nevertheless, there are parameters influencing the process and it has not been clear how they affect the printing result. In this thesis the influence of the processing and environmental parameters is investigated with the impact on their effect on the jet speed, fibre diameter and scaffold morphology, which has not been reported in the literature to date and significantly influences the printing quality. It was demonstrated that at higher ambient printing temperatures the fibres can be hampered to the extent that the individual fibres are completely molten together and increased air humidity intensifies this effect. It was also shown how such parameters as applied voltage, collector distance, feed pressure and polymer temperature influence the fibre diameter and critical translation speed. Based on these results, a detailed investigation of the fibre diameter control and printing of scaffolds with novel architectures was made. As an example, a 20-fold diameter ratio is obtained within one scaffold by changing the collector speed and the feed pressure during the printing process. Although the pressure change caused fibre diameter oscillations, different diameter fibres were successfully integrated into two scaffold designs, which were tested for mesenchymal stromal cell suspension and adipose tissue spheroid seeding. Further design and manufacturing aspects are discussed while jet attraction to the printed structures is illuminated in connection with the fibre positioning control of the multilayer scaffolds. The artefacts that appear with the increasing scaffold height of sinusoidal laydown patterns are counteracted by layer-by-layer path adjustment. For the prediction of a printing error of the first deposited layer, an algorithm is developed, that utilizes an empirical jet lag equation and the speed of fibre deposition. This model was able to predict the position of the printing fibre with up to ten times smaller error than the of the programmed path. The same model allows to qualitatively assess the fibre diameter change along the nonlinear pattern as well as to indicate the areas of the greatest pattern deformation with the growing scaffold height. Those results will be used in the later chapters for printing of the novel MEW structures for biomedical applications. In the final chapter the concept of multimodal scaffold was combined with the suspended fibre printing, for the manufacturing of the MEW scaffolds with controlled pore interconnectivity in three dimensions. Those scaffolds were proven to be a promising substate for the control of the neurite spreading of the chick DRG neurons. === Diese Arbeit umfasst die Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie Schmelzelektroschreiben, um die verbesserte Anwendbarkeit in biomedizinischen Anwendungen und die Konstruktion von Gerüsten zu erreichen. Schmelzelektroschreiben ist ein Verfahren, das in der Lage ist, hochaufgelöste Strukturen aus mikroskaligen Fasern zu erzeugen. Dennoch gibt es Parameter, die den Prozess beeinflussen, und es ist nicht klar, wie sie sich auf das Druckergebnis auswirken. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Verarbeitungs- und Umweltparameter mit der Auswirkung auf deren Einfluss auf die Polymerstrahlgeschwindigkeit, den Faserdurchmesser und die Gerüstmorphologie untersucht, was bisher in der Literatur nicht berichtet wurde und die Druckqualität wesentlich beeinflusst. Es konnte gezeigt werden, dass bei höheren Umgebungstemperaturen die Entstehung von zylindrischen Fasern soweit behindert werden können, dass die einzelnen Fasern vollständig zusammengeschmolzen werden und eine erhöhte Luftfeuchtigkeit diesen Effekt verstärkt. Es wurde auch gezeigt, wie solche Parameter wie angelegte Spannung, Kollektorabstand, Vorschubdruck und Polymertemperatur den Faserdurchmesser und die kritische Translationsgeschwindigkeit beeinflussen. Basierend auf diesen Ergebnissen, wurde eine detaillierte Untersuchung der Faserdurchmessersteuerung durchgeführt und Gerüsten mit neuartigen Architekturen wurden gedruckt. Als Beispiel wird ein 20-fach Durchmesserverhältnis innerhalb eines Gerüstes durch die Änderung der Kollektorgeschwindigkeit und des Vorschubdrucks während eines Druckvorgangs erreicht. Obwohl die Vorschubdruckveränderung spürbare Oszillationen des Faserdurchmessers verursachte, wurden Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern erfolgreich in zwei Scaffoldmuster integriert, die für mesenchymale Stromazell und L929 Zellsuspension und die Aussaat von Fettgewebe-Sphäroiden getestet wurden. Weitere Design- und Herstellungsaspekte werden diskutiert, während die Polymerstrahlanziehung auf die gedruckten Strukturen in Verbindung mit der Faserpositionierungssteuerung der mehrschichtigen Scaffolds beleuchtet wird. Den Artefakten, die mit zunehmender Gerüsthöhe sinusförmiger Ablagemuster auftreten, wird durch schichtweise Anpassung von Verfahrweg des Kollektors entgegengewirkt. Für die Vorhersage eines Druckfehlers der ersten abgelegten Schicht wurde ein Algorithmus entwickelt, der die empirischen Zusammenhänge zwischen Kollektorgeschwindigkeit, Nachlauf, und die Geschwindigkeit der Faserablage verwendet. Dieses Modell war in der Lage die Position der gedruckten Faser mit einem bis zu zehnmal kleinerem Fehler als die Position auf dem programmierten Pfad vorherzusagen. Dasselbe Modell erlaubt es, die Änderung des Faserdurchmessers entlang des nichtlinearen Musters qualitativ zu bewerten und die Bereiche mit der größten Musterdeformation mit zunehmender Gerüsthöhe anzuzeigen. Diese Ergebnisse werden in anderen Kapiteln für den Druck der neuartigen MEW-Strukturen für biomedizinische Anwendungen verwendet. Im letzten Kapitel wurde das Konzept des multimodalen Gerüstes mit dem Druck von hängenden Fasern kombiniert, um MEW-Gerüste mit kontrollierter Porenvernetzung in drei Dimensionen herzustellen. Diese Gerüste erwiesen sich als vielversprechendes Substrat für die Kontrolle der Neuritenausbreitung der Nervenzellen aus Spinalganglien.