Electrospinning as a novel fabrication technique for drug delivery and tissue engineering

Abstract

Electrospinning as an advanced fabrication technique for polymeric fibers has drawn a substantial interest in the last few decades. Recently, one focus was directed towards the biomedical applications of this technique to fabricate biocompatible fibers for drug delivery and tissue engineering. This is mainly attributed to the numerous advantages provided by electrospun fibers including high surface area to volume ratio, ability to encapsulate different types of drugs, structural flexibility, similarity to the extracellular matrix, and many others. This work aimed at studying the factors affecting the biomedical applicability of electrospun fibers for drug delivery and tissue engineering. At first, factors leading to inappropriate drug encapsulation as a result of hydrophilic drug crystallization on the surface of hydrophobic polymer fibers were identified and successfully overcome. Further, prolonging the release of proteins from hydrophilic electrospun fibers by means of different post-modification approaches was studied, focusing on investigating the effect on proteins’ activity and cytotoxicity. Moreover, novel approaches for in situ dissolution analysis of electrospun fibers were investigated, with the focus on developing strategies to prevent sample folding during dissolution testing. Further, novel electrospun fiber mats composed of a combination of natural and synthetic polymers were generated and investigated for their application as substrates for cultivation of human cells. Overall, the results obtained in this work enhance our understanding of the factors that affect the biomedical applications of electrospinning, and can serve as guidance for rational development of novel drug delivery systems and tissue engineering scaffolds based on electrospun fibers.

Elektrospinnen als fortgeschrittene Herstellmethode für polymerbasierte Fasern hat in den letzten Jahren großes Interesse erweckt. Ein Schwerpunkt ist die Verwendung von Elektrospinnen um biokompatible Fasern für biomedizinische Anwendungen wie Arzneistoffträgersysteme und Gewebezüchtung herzustellen. Dies ist hauptsächlich zurückzuführen auf die zahlreiche Vorteile von elektrogesponnen Fasern wie einem hohen Oberfläche-Volumen-Verhältnis, die Möglichkeit, verschiedene Arten von Wirkstoffe zu verkapseln, strukturelle Flexibilität, Ähnlichkeit mit der extrazellulären Matrix, und vielen anderen. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Faktoren, die die biomedizinische Anwendbarkeit von elektrogesponnenen Fasern für Arzneistoffträgersysteme und Gewebezüchtung beeinflussen. Zunächst wurden die Faktoren, die zu unzureichender Wirkstoffverkapselung in Form von Kristallisierung hydrophiler Wirkstoffe auf der Oberfläche hydrophober Polymerfasern führen identifiziert und überwunden. Außerdem wurde die Verlängerung der Proteinfreisetzung aus hydrophilen elektrogesponnenen Fasern mittels unterschiedlicher Nachbearbeitungsmethoden untersucht, mit Fokus auf der Aktivität der verkapselten Proteine sowie auf der Zytotoxizität. Darüber hinaus wurden neue Ansätze für die in situ Analyse der Wirkstofffreisetzung aus elektrogesponnenen Fasern untersucht, diesbezüglich wurde neue Strategien entwickelt, um die Faltung der Proben während der Freisetzungsversuche zu vermeiden. In dem letzten Teil dieser Arbeit wurde neuartige elektrogesponnen Vliese bestehend aus einer Kombination von natürlichen und synthetischen Polymeren entwickelt und auf ihre Einsetzbarkeit als Substrate für die Kultivierung von menschlichen Zellen untersucht. Insgesamt, die Ergebnisse dieser Arbeit sind wichtige Bausteine für unser Verständnis der biomedizinischen Anwendbarkeit von elektrogesponnenen Fasern für Arzneistoffträgersysteme und Gewebezüchtung.