3D Bioprinting of multi-phasic osteochondral tissue substitutes: design criteria and biological functionality in vitro

Osteochondral defects comprise cartilage and bone tissue in the joint region and create challenges for orthopedic surgery, also because intrinsic regeneration capacities of the articular cartilage are limited. Furthermore, tissue layer-specific characteristics regarding cell types, mechanical properties and biochemical composition need to be considered. Research questions: In this work, concepts were developed which allow mimicking of osteochondral interfacial layers in a patient-individual and zonally specified manner by 3D extrusion (bio)printing. This feature of patient specificity was proven on different levels within this project: Besides the option for application of patient-own, expanded stem cells or chondrocytes within a scaffold to support regeneration and neo-tissue formation, a workflow was implemented which enables the consideration of magnetic resonance imaging (MRI) data and zonal geometry of the defect. With the materials suitable to achieve this design and a bioprinting-compatible process, the impact of such a system on embedded cells was investigated. A zonally structured, partly mineralized construct was evaluated regarding its capability to allow or support chondrogenesis of primary human chondrocytes (hChon). Furthermore, a strategy based on core-shell bioprinting technology was developed which allows simultaneous embedding of different cell types in a zonally defined distribution with a targeted effect by incorporated growth factors while reducing the off-target effects that would be expected when applied homogeneously via the surrounding medium. In addition, hybrid multi-material scaffolds were developed to adjust the stiffness of these systems. Materials and methods: To define design and patient-specific requirements for an osteochondral implant, an anonymized MRI dataset of a patient with osteochondritis dissecans (OCD) was used. The main constituent of the developed fabrication system was a bioink based on 3% alginate and 9% methylcellulose
Osteochondrale Defekte umfassen Knochen- und Knorpelgewebe innerhalb des betroffenen Gelenks und stellen die klinische Orthopädie vor Herausforderungen dar, auch da die intrinsische Regenerationsfähigkeit des Gelenkknorpels stark limitiert ist. Zudem sind in den zu unterscheidenden Gewebeschichten spezifische Charakteristika wie unterschiedliche Zelltypen, mechanische Eigenschaften und die biochemische Zusammensetzung zu berücksichtigen. Fragestellungen: In der vorliegenden Arbeit wurden Konzepte entwickelt, mit dem sich per 3D-Extrusions(bio)druck Gewebeschichten dieser osteochondralen Grenzschicht zonenspezifisch und patientenindividuell nachbilden lassen. Diese patientenindividuellen Merkmale wurden innerhalb des Projektes auf mehreren Ebenen nachgewiesen: Zum einen können patienteneigene Stammzellen oder Chondrozyten nach Vermehrung im Labor innerhalb einer Gerüststruktur (“Scaffold”) zur Unterstützung der Regeneration und Gewebeneubildung angewandt werden. Zum anderen wurde ein Workflow vorgestellt, der die Berücksichtigung einer individuellen, per Magnetresonanztomographie (MRT) detektierten, schichtweisen Geometrie einer Läsion erlaubt. Mit Hilfe von Materialien, die diese Formgebung ermöglichen, wurde in einem Biodruck-kompatiblen Prozess der Einfluss eines solchen Systems auf eingebettete Zellen untersucht: Ein zonal aufgebautes, teilweise mineralisiertes Konstrukt wurde hinsichtlich dessen Eignung, Chondrogenese humaner Knorpelzellen (hChon) zu ermöglichen oder zu unterstützen, evaluiert. Zudem wurde eine auf der Kern-Mantel-Biodrucktechnologie basierende Strategie entwickelt, die das Einbetten unterschiedlicher Zelltypen mit zonal definierter Verteilung kombiniert mit einem gezielten Effekt durch inkorporierte Wachstumsfaktoren. Hierbei sollten unerwünschte Nebeneffekte der im Kern dargebrachten Faktoren auf die jeweils andere Zellsorte, die man bei homogener Faktorengabe über das umgebende Medium erwarten würde, reduziert werden. Weiterhin sollte mittels