Cellulose nanofibril- and chitin nanofibril-based materials: fibers, scaffolds and tubes

• Materialien auf Basis von Zellulose- und Chitin-Nanofasern: Faser, Gerüststrukturen und Röhren

Torres Rendon, Jose Guillermo; Möller, Martin (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Erneuerbare Ressourcen wie Zellulose Nanofibrillen (CNFs) und Chitin Nanofibrillen (ChNFs) sind von besonderen Interesse als Biopartikel aufgrund ihr Eigenschaften, wie zum Beispiel besonders gute mechanische Eigenschaften, hoher Grad an Oberflächenfunktionalitäten, thermische Stabilität, Gasbarriere Eigenschaften, Biokompatibilität und ihre weltweite Verfügbarkeit aus erneuerbaren Quellen und Abfallprodukten. Die Forschung auf dem Gebiet der Materialien aus CNFs oder ChNFs steckt derzeitig noch in den Kinderschuhen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit fundamentaler Grundlagenforschung bzgl. der Herstellung und Charakterisierung von CNF- und ChNF-basierten Materialien. Die Verknüpfung von definierten nanoskaligen Bausteinen mit fortgeschrittenen Fertigungsmethoden ist von eminenter Bedeutung zur Gewinnung funktioneller Materialien (über mehrere Dimensionen). Bezüglich der mechanischen Eigenschaften der gewonnen Materialien muss zu Beginn ein Weg entwickelt werden, in dem die Orientierung der CNFs und ChNFs kontrolliert werden kann bzw. bestimmt werden, in wie weit die Orientierung der Verstärkungsfasern mit den makroskopischen mechanischen Eigenschaften verknüpft sind. In diesem Zusammenhang werden CNF- und ChNF-Dispersionen verwendet um Hochleistungsfasern zu gewinnen, wobei umweltfreundlichere Wege als bisher zur Herstellung verwendet wurden. In Kapitel 2 zeige ich die Möglichkeit von auf makroskopische Fasern, aus CNFs und ChNFs, nass zu Verstrecken um somit eine höheren Grad an Orientierung zu erreichen und sich eine innere Anordnung in den Fasern in den mechanischen Eigenschaften widerspiegelt. Es werden für beide Materialien (CNFs und ChNFs) ähnliche Anordnungen in den Makrofasern, bestehend aus den nanofibrillaren Fasern, gefunden, wohingegen sich die mechanischen Eigenschaften in Bezug auf das E-Modul verändern. Für die Fasern, auf Basis von CNFs haben einen wesentlich höheres Modul (ECNF = 33 GPa) im Vergleich zu den ChNFs basierten (EChNF = 12 GPa). Dieser Unterschied beruht auf den Eigenschaften bzw. der unterschiedlichen Zusammensetzung und der zugrundeliegenden Kristallinität und der resultierenden Steifigkeit der nanofibrillaren Grundbausteine. Diese Untersuchung zeigt die Unterschiede in Bezug auf die Steifigkeit der Materialien aus CNFs und ChNFs auf und deckt die verschiedene Belastbarkeit für die beiden Materialklassen an Nanopartikeln auf.Zusätzlich zu den mechanischen Eigenschaften habe ich auch die Möglichkeiten von CNFs und ChNFs im Bereich des "Tissue Engeneering" untersucht. Dazu habe ich Gerüste hergestellt, die potentiell als Stützmaterial bei der Regeneration von Knochengewebe dienen können. Die zugehörigen Ergebnisse sind in Kapitel 3 zu finden. Die Entwicklung von hierarchisch geordneten Materialien mit Maßgeschneiderter Macro- und Nanoporosität stellt auch weiterhin eine Herausforderung im Bereich der Materialentwicklung dar. Derartige Materialen sind essentiell für eine große Zahl von Technologien, ins besondere im Bereich des "Tissue Engeneering". Die Herstellung von Hydrogel-Gerüsten mit definierten Topographien über alle Längenskalen erlaubt es die Anordnung von Zellen zu Geweben zu kontrollieren. Dazu habe ich eine einfache Inverse-Template-Strategie entwickelt, welche die Herstellung von nanofibrillaren Hydrogel-Gerüsten mit definierter Macro- und Nanoporosität ermöglicht. Zunächst wurde in Kooperation mit der Wessling Gruppe (DWI) ein lithographischer Prozess entwickelt, aus dem ein auflösbares Gyroid-Gerüst auf Basis eines basen-löslichen Harzes hervorging. Nachdem der Infiltration mit Hydrogelen aus hochkristallinen und steifen CNFs und ChNFs konnten die Template einfach in schwach alkalischen Lösungen aufgelöst werden, um so Hydrogel-Kopien des Gerüstes zu erhalten. Dieser einfache Ansatz stellt eine Plattform-Technologie dar, die in einer Reihe von Hydrogel-basierten Materialien mit de novo designten Poren-Strukturen Anwendung finden kann.Anschließende Studien mit lebenden Zellen wurden in Kooperation mit Dr. John Hardy (derzeit Lancaster University, UK) und Laura de Laporte (DWI) durchgeführt. Sie bestätigten die biokompatibilität der CNF und ChNF-basierten Gerüste und verdeutlichten gleichzeitig wichtige Unterschiede bei der Zelladsorption. Eine anschließende Kollagen-Knochen imitierende Beschichtung der Beschichtung der Hydrogel-Gerüste führte letztendlich zur Differenzierung von menschlichen mesynchymalen Stammzellen (HMSCs) zu osteogenen Zellen.In der letzten duchgeführten Studie dieser Arbeit (Kapitel 4), wird das Prinzip der Inversen Vorlage weiterverwendet, allerdings wurde diesmal CNF Hohlfasern als Opfertemplat verwendet um ein röhrenartiges Zellkonstrukte auf makroskopischer Ebene zu erhalten. Es wird gezeigt, das CNF Dispersionen in komplexe Formen verarbeitet werden können und als Opfertemplat zur Darstellung von selbsttragenden Zellkonstrukten. Darüber hinaus wird der Ansatz verfolgt, Hohlfasern darzustellen indem sie kontrolliert durch eine Rundöffnung in ein Koagulationsbad extruiert wird. Die Abmessungen der Hohlfaser können eingestellt werden und die Wanddicke der finalen Röhren kombiniert die Porosität von CNF Hydrogelen mit Submilimeter Wanddicke und Längen im Zentimetermaßstab können so erhalten werden. Darüber hinaus wird gezeigt, das kovalente und supramolekulare Quervernetzung von CNFs verwendet werden kann um die mechanischen Eigenschaften der Hydrogelfasern um eine Größenordnung zu verändern, in einem für die Mechanonisation der Zellen relevanten Bereich. Die erhaltenen Röhren sind im hohen Maße Biokompatibel und erlauben das Wachstum von Maus Fibrioblasten in kofluente Zellschichten im Inneren. Durch ein detailliertes Screening von verschiedenen Zellulasen zum Abbau der formgebenden CNF Hydrogel Vorlage konnte eine schnelle und besonders zellschonende Zersetzung erreicht werden und somit eine Isolation von zusammenhängenden Zellröhren. Die wachsenden Möglichkeiten der 3D Drucktechnik im Kombination mit den attraktiven Eigenschaften von CNFs - Nachwachsend, global Verfügbar, Biokompatibel und enzymatisch Zersetzbar - wird in Zukunft die Produktion von pflanzenbasierte Biomaterialien mit hierarchischen Strukturen und Zersetzung nach Bedarf ermöglichen. Diese Materialien können zur Entwicklung komplexer Zellmodelle verwendet werden um z.B. als alternative zu Tierversuchen und für Implantate.