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2021 | Book

3D-Druck mit lebenden Zellen

Materialentwicklung, Prozesscharakterisierung und Perspektiven für die Pflanzenbiotechnologie

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Dieses Buch setzt Impulse zur systematischen Validierung des Bioprintings und zur Etablierung dieser Technologie auch in nicht-medizinischen Anwendungsgebieten. Das dreidimensionale Drucken mit lebenden Zellen erlaubt die kontrollierte Zellimmobilisierung in 3D-Hydrogelgerüsten. In dieser Arbeit wird das Bioprinting erstmalig mit Zellkulturen höherer Pflanzen gezeigt. Für die Pflanzenzellbiotechnologie eröffnen sich damit Perspektiven beispielsweise hinsichtlich der Erzeugung von Gewebemodellen oder der strukturierten Zellimmobilisierung in industriellen Bioprozessen. Die Strömungsmodellierung im Druckprozess wird auf Basis von ausführlichen rheologischen Messungen der Bioink und der Analyse der Extrusionsgeschwindigkeit gezeigt. Die Darstellung der Ergebnisse im Nomogramm erlaubt eine systematische Optimierung des Druckprozesses.

Table of Contents

Frontmatter
Kapitel 1. Einführung und Motivation
Zusammenfassung
Dieses Kapitel führt in die Thematik des Bioprintings ein. Das Green Bioprinting mit pflanzlichen Zellen wird vorgestellt und die sich ergebenden Chancen für die Biotechnologie zusammengefasst. Notwendige Schritte zur Material- und Prozessanalyse im extrusionsbasierten Bioprinting werden aufgezeigt.
Julia Emmermacher
Kapitel 2. Stand der Forschung
Zusammenfassung
3D-Drucktechnologien haben in den letzten zwei Jahrzehnten eine hochdynamische Entwicklung vollzogen, die weiterhin anhält. Ein intensiv verfolgter Ansatz ist der 3D-Druck mit integrierten lebenden Zellen zur Erzeugung von biologischen Objekten mit einer definierten Geometrie, das sogenannte Bioprinting, das in diesem Kapitel beschrieben wird. Herausforderungen, Charakterisierungsmethoden und neue Anwendungsideen insbesondere für die Pflanzenbiotechnologie werden beleuchtet.
Julia Emmermacher
Kapitel 3. Material und Methoden
Zusammenfassung
Dieses Kapitel umfasst Materialien und Methoden für die experimentellen Arbeiten. Es wird die Herstellung des neuentwickelten Druckmateriales (Bioink) AMA erläutert. Die Charakterisierungsmethoden umfassen ausführliche rheologische Messungen und mikroskopische Strukturanalysen der Bioink. Weiterhin werden genutzte Methoden zur Bestimmung der Extrusionsgeschwindigkeit im Bioprintingprozess und zur Analyse der gedruckten Gerüste erläutert. Die Integration lebender Zellen in das Druckmaterial wird beschrieben und Methoden zur Analyse der Wechselwirkungen der Zellen mit der Hydrogelmatrix und dem Druckprozess beschrieben.
Julia Emmermacher
Kapitel 4. Simulation und analytische Rechnung
Zusammenfassung
Ein analytischer Rechenweg und eine CFD Simulation zur Berechnung des Fließverhaltens des Druckmaterials (Bioink) im Bioprinting-Prozess werden in diesem Kapitel beschrieben. Diese Berechnungen sollen der Prozesscharakterisierung und als Grundlage zur Prozessoptimierung dienen.
Julia Emmermacher
Kapitel 5. Ergebnisse und Diskussion
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Arbeit zur Weiterentwicklung des Bioprintings ausführlich dargestellt und diskutiert. Grundsätzlich sind die Ergebnisse zwei Hauptaspekten zuzuordnen. Der erste Schwerpunkt, die Entwicklung und Charakterisierung des Druckmaterials (Ink) AMA für das Bioprinting mit Pflanzenzellkulturen, wird im Abschnitt 5.1 beschrieben. AMA wurde hinsichtlich seiner rheologischen Eigenschaften, Polymerstruktur, der Druckbarkeit und der Zellkompatibilität untersucht. Der zweite Schwerpunkt, die Charakterisierung des Druckprozesses im extrusionsbasierten Bioprinting, wird im Abschnitt 5.2 dargelegt. Am Beispiel AMA wird die Extrusionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom beaufschlagten Druck, dem Nadeldurchmesser und der rheologischen Eigenschaften untersucht. Modellierte Strömungsparameter im Druckkopf werden analysiert und experimentell validiert. Einflüsse auf die Strömung der Inks durch rheologische Besonderheiten und den integrierten Zellen werden diskutiert.
Julia Emmermacher
Kapitel 6. AZusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
Dieses Kapitel fasst die wesentlichen Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt Vorschläge für anknüpfende Untersuchungen und offene Fragestellungen zur Prozessoptimierung im Bioprinting und der Anwendung in der Pflanzenbiotechnologie.
Julia Emmermacher
Backmatter
Metadata
Title
3D-Druck mit lebenden Zellen
Author
Julia Emmermacher
Copyright Year
2021
Electronic ISBN
978-3-658-34455-9
Print ISBN
978-3-658-34454-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-34455-9

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