Photopolymers for bone tissue engineering

Abstract

Wäre es nicht wünschenswert, wenige Stunden nach der Computer Tomographie Aufnahme eines verletzten Knochengewebeteils ein Patienten-individuelles Implantat bereitstellen zu können, egal wie komplex die Geometrie auch sein mag? Rapid Prototyping Techniken und im speziellen Stereolithographie, ein computerisiertes Fertigungsverfahren das auf schichtweiser Photopolymerisation beruht, bietet großartige Möglichkeiten medizinische Implantate in jeder denkbaren Form herzustellen und natürliche Strukturen nachzubauen. Obwohl großer Aufwand in der Entwicklung bioabbaubarer Polymere betrieben wurde und wird, die als zeitweiliges Stützmaterial während der Heilung beschädigten Gewebes dienen, sind doch nur wenige dieser neuen Materialien mittels Stereolithographie verarbeitbar. Des Weiteren basieren viele dieser Polymere auf Polyester Strukturen (z.B. Polymilchsäure) und folgen einem autokatalytischen, hydrolytischen Abbaumechanismus, der sich bei größeren Defekten, wie sie in der orthopädischen Chirurgie auftreten können, nachteilig auswirkt. Ziel und Zweck dieser Arbeit war die Entwicklung einer neuen Acrlyat-basierten Monomer Formulierung für die stereolithographische Herstellung zellularer Knochenersatzmaterialien. Potentielle Komponenten wurden systematisch bezüglich ihrer Photoreaktivität, Biokompatibilität und mechanischer Eigenschaften getestet. Um Bioabbaubarkeit zu induzieren wurde ein enzymatisches Gelatinehydrolysat herangezogen und mit methacrylischen Gruppen versehen. Auf diese Weise wurde ein enzymatisch spaltbarer Vernetzer gewonnen. Weitere Modifikationen waren notwendig um die Kompatibilität dieses Vernetzers mit der übrigen Monomer Formulierung zu gewährleisten. Schlussendlich konnten zellulare Test-Strukturen mittels Stereolithographie hergestellt werden.<br />

Wouldn't it be good to be able to make a bone implant, even one with complex individual geometry, only a few hours after a computer tomography of the injured site has been made? Rapid Prototyping techniques and in particular Stereolithography, a computerized fabrication technique that works with layer-by-layer photopolymerization, offer great possibilities for the fabrication of medical devices in any conceivable shape to copy nature's designs and architecture. Although efforts have been made in the development of biodegradable polymers that serve as temporary tissue replacement until healing is completed, only few of the existing materials are processable by Stereolithography. Furthermore, many of these polymers are based on polyesters (e.g. poly(lactic acid)) that follow an autocatalytic hydrolytic degradation mechanism which is disadvantageous for larger implantation sites as they can appear in orthopedic surgery.<br />The purpose of this research project was the development of a new liquid acrylate-based monomer formulation for the fabrication of cellular bone replacement materials using Stereolithography. Potential components were systematically tested regarding their reactivity, biocompatibility and mechanical properties. To introduce biodegradability, an enzymatic gelatin hydrolysate was modified with methacrylic groups to obtain a photopolymerizable crosslinker with an enzymatically cleavable backbone.<br />Further modifications had to be carried out in order to improve the compatibility with the remaining monomer formulation. Finally different test objects were constructed.