Dreischichtiges Elektrospinning und 3D-Druck - ein neuer Ansatz zum tissue engineering multimaterieller Herzklappensegel

Bischof, Lara Noelle (2026): Dreischichtiges Elektrospinning und 3D-Druck - ein neuer Ansatz zum tissue engineering multimaterieller Herzklappensegel. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine

Abstract

Einleitung: Derzeit verwendete Herzklappenprothesen zeigen einige Nachteile, wie beispielsweise eine limitierte Haltbarkeit oder die Notwendigkeit einer lebenslangen Antikoagulation. In diesem Projekt sollte ein Beitrag zur Entwicklung neuartiger Prothesen geleistet werden, indem dreischichtige Herzklappensegel fabriziert wurden. Ziel war es, ein Gerüst (= Scaffold) zu erschaffen, welches sowohl die makro- als auch die mikroskopische Architektur nativer Klappen abbildet. Dieses Scaffold kann im weiteren Verlauf Zellen als extrazelluläre Matrix dienen, sodass ein Herzklappensegel aus vitalem Gewebe entsteht. Methoden: Mit Hilfe eines Dual-Elektrospinning-Aufbaus wurden die Polymere Polyurethan und Polycaprolacton auf einen rotierenden Kollektor in der Mitte dual-gesponnen, sodass ausgerichtete und zufällig orientierte Scaffolds hergestellt werden konnten (Spannung = 15 kV, Flussrate = 3 ml/h, Rotationsgeschwindigkeit ausgerichtet = 1520 U/min, zufällig = 38 U/min). Mittels eines mehrschrittigen Protokolls und der Verwendung eines 3D-gedruckten Kollektors sollten dreischichtige Herzklappensegel spezifischer Ausrichtung erstellt werden. Zur Kontrolle von Homogenität, Morphologie und Ausrichtung der Fasern erfolgte eine Analyse von Rasterelektronenmikroskop- und Fluoreszenzmikroskop-Bildern mittels des Programmes ImageJ. Die Materialeigenschaften der Scaffolds wurden mit uniaxialen Zugversuchen und gravimetrischen Porositätsmessungen erhoben. Die Verwendung von Pseudomonas cepacia Lipase sollte die Auslösung von Polycaprolacton-Fasern aus dual gesponnen-Scaffolds und damit die Erhöhung der Porosität zur Folge haben. Die Scaffolds wurden mit humanen Fibroblasten besiedelt. Ergebnisse: Homogene Klappensegel spezifischer geometrischer Form, bestehend aus radial, zufällig und zirkumferent ausgerichteten Fasern, analog zu den drei Schichten der Herzklappensegel (Lamina ventrikularis, spongiosa, fibrosa), konnten mittels des Dual-Elektrospinning-Aufbaus erzeugt werden. Die Schichten bestanden aus deutlich ausgerichteten Fasern (Winkelbereich 16,4 ° ± 5,5 °) beziehungsweise zufällig orientierten Fasern (Winkelbereich 162,4 ° ± 22,9 °). Ausgerichtete Scaffolds waren in Rotationsrichtung belastbarer (15,7 ± 4,7 N/mm2 vs. 1,8 ± 0,7 N/mm2; p<0,0001), zufällig orientierte Scaffolds entgegen der Rotationsrichtung (4,5 ± 0,8 N/mm2 vs. 8,4 ± 1,5 N/mm2; p<0,0001). Ausgerichtete (85,9 ± 1,5 %) und zufällig orientierte (83,6 ± 1,7 %) Scaffolds verfügten über eine hohe Porosität. Durch die Verwendung der Lipase konnte die Porosität zufällig orientierter Scaffolds erhöht werden (83,5 ± 1,7 % vs. 89,3 ± 3 %; p<0,0001). Bei Besiedelung zeigte sich ein homogener Monolayer aus Fibroblasten. Schlussfolgerung: Die erprobte Methode eignete sich zur Herstellung von dreischichtigen Scaffolds spezifischer Geometrie für den Klappenersatz. Adäquate Materialeigenschaften konnten nachgewiesen werden. Der Ansatz weist Potential zur Erstellung individualisierter Herzklappenprothesen auf.

Abstract

Introduction: Currently used heart valve prostheses show disadvantages, such as low endurance or the need for lifelong anticoagulation. Therefore, we aimed to fabricate three-layered heart valve scaffolds using a dual-electrospinning-setup containing a 3D-printed collector. The scaffolds were designed to replicate both the macroscopic and microscopic architecture of native valves and serve as an extracellular matrix for human cells, enabling the development of heart valve leaflets composed of vital tissue. Achieving appropriate material properties, particularly high porosity, is critical for scaffold functionality; therefore, these properties were investigated in detail. Methods: Using a dual-electrospinning-setup the polymers polyurethane and polycaprolactone were electrospun onto a rotating collector placed in the middle. Aligned and randomly oriented scaffolds were produced (voltage = 15 kV, flow rate = 3 ml/h, rotational speed aligned = 1520 rpm, random = 38 rpm). By the use, of a multi-step protocol and a 3D-printed collector, three-layered heart valve leaflets with specific orientation were manufactured. Scanning electron and fluorescence microscope images were analyzed using ImageJ to explore homogeneity, morphology, and orientation of the fibers. The material properties of the scaffolds were determined by performing uniaxial tensile tests and gravimetric measurement of porosity. To increase the porosity, Pseudomonas cepacia lipase was used to degraded polycaprolactone-fibers form dual-spun Scaffolds. The scaffolds were seeded with human fibroblasts. Results: Homogeneous and specific geometrically shaped heart valve leaflets consisting of radially, randomly, and circumferentially oriented layers (like the three layers lamina ventricularis, spongiosa and fibrosa of naturals valves), could be generated using the dual-electrospinning setup. The layers consisted of highly aligned fibers (angle range 16.4 ° ± 5.5 °) or randomly oriented fibers (angle range 162.4 ° ± 22.9 °). Aligned scaffolds showed higher tensile strength in rotational direction (15.7 ± 4.7 N/mm2 vs. 1.8 ± 0.7 N/mm2; p<0.0001), meanwhile randomly oriented scaffolds were stronger in axial direction (4.5 ± 0.8 N/mm2 vs. 8.4 ± 1.5 N/mm2; p<0.0001). Aligned (85.9 ± 1.5 %) and randomly oriented (83.6 ± 1.7 %) scaffolds showed high porosity. The use of Pseudomonas cepacia lipase resulted in a significant increase of the porosity of randomly oriented scaffolds (83.5 ± 1.7 % vs. 89.3 ± 3 %; p<0.0001). Seeding with human fibroblasts led to a homogeneous monolayer. Conclusion: By using a dual-electrospinning setup and a 3D-printed collector we successfully produced three-layered scaffolds for artificial heart valves. The micro- and macroscopic architecture of native vales was replicated. Suitable material properties were evaluated. The approach shows the potential of individualized heart valve replacements, particularly by adapting the 3D-printed collector using computer-tomography-data.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Keywords: 3D-printing, electrospinning, three-layered, aligned, unaligned, heart valves, tissue engineering, PCL, PU
• Subjects: 600 Technology, Medicine; 600 Technology, Medicine > 610 Medical sciences and medicine
• Faculties: Faculty of Medicine
• Language: German
• Date of oral examination: 28. April 2026
• 1. Referee: Hagl, Christian
• Signature of the printed copy: 0700/UMD 22804