Anisotropic fiber / hydrogel biomaterials of polysaccharides : Extrudability, spinnability and 3D printability for applications in biomedical engineering

Titelangaben

Tran, Tuan Anh:
Anisotropic fiber / hydrogel biomaterials of polysaccharides : Extrudability, spinnability and 3D printability for applications in biomedical engineering.
Bayreuth , 2026 . - 159 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

This thesis reports the development of functional chitosan-based biomaterials through microextrusion of viscous collodions and (bio)inks. Anisotropic fiber and hydrogel hybrid materials of enhanced mechanical performance and good biological properties were produced by respectively using gel spinning and extrusion-based 3D printing approaches to develop biomaterials with promising applications in tissue engineering and repair. By precisely tailoring the molecular weight of chitosan and incorporating cellulose nanofibers,composite fibers with tunable mechanical properties, including enhanced stiffness, tensile strength, strain at break, and toughness were achieved by gel spinning. The synergistic interplay between low and high molecular weight chitosans provided an optimal balance of solubility, chain mobility, and structural integrity, while the cellulose nanofbers enhanced rheological behavior, extrusion fidelity, and contributed to promote preferential orientation and chitosan crystallization, to favor the formation of highly anisotropic and mechanically strong fibers for biomedical applications. Besides, extrusion-based 3D printing of cellulose nanofiberfilled chitosan viscous inks, allowed the preparation of anisotropic hydrogels whose processrelated developed orientation could be quantified in situ using X-ray scattering at small (SAXS) and wide angles (WAXS) at the synchrotron beamline. The results revealed the controlled microstructural anisotropy and hierarchical organization, demonstrating that polymer and/or nanofiber filler orientation is strongly influenced by the shear stress-induced alignment during extrusion, the nanofiber morphology and aspect ratio, the chitosan concentration and the nanofiber content. These findings establish a platform for the processing of mechanically stable, bioinstructive 3D scaffolds based on natural biopolymers and physical hydrogels without chemical modification, promoting the use of sustainable and biocompatible functional materials in biomedical engineering. Further, in a proof of concept this thesis addressed the central challenge of achieving chitosan solubilization at around neutral pH compatible with cell survival for the development of cell-laden chitosan-based functional hydrogels by extrusionbased 3D bioprinting. Cell-laden bioinks composed of unmodified chitosan were successfully bioprinted, including cell-laden hybrid systems that incorporated cellulose nanofibers. Structurally stable 3D constructs were obtained which biological assessment showed good cell viability for even relatively long incubation period. This work highlights the potential of biocompatible and bioactive unmodified chitosan/cellulose nanofiber bioinks for regenerative medicine, providing a versatile and tunable system for engineering complex, functional anisotropic tissues.

Abstract in weiterer Sprache

Diese Arbeit berichtet über die Entwicklung funktioneller Biomaterialien auf Chitosanbasis durch Mikroextrusion von viskosen Kollodionen und (Bio-)Tinten. Anisotrope Fasern und Hydrogel-Hybridmaterialien mit verbesserter mechanischer Leistung und guten biologischen Eigenschaften wurden durch Gelspinnen bzw. extrusionsbasierte 3D-Druckverfahren hergestellt, um Biomaterialien mit vielversprechenden Anwendungen in der Gewebezüchtung und -regeneration zu entwickeln. Durch die präzise Anpassung des Molekulargewichts von Chitosan und die Einarbeitung von Zellulose-Nanofasern wurden durch Gelspinnen Verbundfasern mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften – darunter verbesserte Steifigkeit, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Zähigkeit – erzielt. Das synergistische Zusammenspiel zwischen Chitosan mit niedrigem und hohem Molekulargewicht sorgte für ein optimales Gleichgewicht zwischen Löslichkeit, Beweglichkeit der Polymerketten und struktureller Integrität, während die ZelluloseNanofasern das rheologische Verhalten und die Extrusionsgenauigkeit verbesserten und zur Förderung der bevorzugten Ausrichtung und Chitosan-Kristallisation beitrugen, um die Bildung hochgradig anisotroper und mechanisch starker Fasern für biomedizinische Anwendungen zu begünstigen. Außerdem ermöglichte der extrusionsbasierte 3D-Druck von mit ZelluloseNanofasern gefüllten viskosen Chitosan-Tinten die Herstellung anisotroper Hydrogele, deren prozessbedingte Ausrichtung in situ mittels Röntgenstreuung bei kleinen (SAXS) und großen Winkeln (WAXS) an der Synchrotron-Beamline quantifiziert werden konnte. Die Ergebnisse zeigten die kontrollierte mikrostrukturelle Anisotropie und hierarchische Organisation und belegten, dass die Ausrichtung von Polymeren und/oder Nanofaserfüllstoffen stark von der durch die Scherspannung während der Extrusion induzierten Ausrichtung, der Nanofasermorphologie und dem Aspektverhältnis, der Chitosan-Konzentration und dem Nanofasergehalt beeinflusst wird. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Herstellung mechanisch stabiler, bioinstruktiver 3D-Gerüste auf Basis natürlicher Biopolymere und physikalischer Hydrogele ohne chemische Modifikation und fördern den Einsatz nachhaltiger und biokompatibler Funktionsmaterialien in der Biomedizintechnik. Darüber hinaus befasste sich diese Arbeit in einem Proof-of-Concept mit der zentralen Herausforderung, eine ChitosanSolubilisierung bei einem neutralen pH-Wert zu erreichen, der mit dem Überleben von Zellen einher geht, um zellbeladene, funktionelle Hydrogele auf Chitosan-Basis durch extrusionsbasiertes 3D-Bioprinting zu entwickeln. Es gelang, zellbeladene Bio-Tinten aus nichtmodifiziertem Chitosan zu bioprinten, darunter auch zellbeladene Hybridsysteme, die Zellulose-Nanofasern enthielten. Es wurden strukturell stabile 3D-Konstrukte erhalten, die bei der biologischen Bewertung auch nach relativ langer Inkubationszeit eine gute Zellviabilität zeigten. Diese Arbeit unterstreicht das Potenzial von biokompatiblen und bioaktiven, nichtmodifizierten Bio-Tinten aus Chitosan/Zellulose-Nanofasern für die regenerative Medizin, und bietet einvielseitiges und anpassungsfähiges System für die Entwicklung komplexer, funktioneller anisotroper Gewebe.