Small molecules for the improvement of mechanical properties and degradation of photopolymers

Abstract

Bei kritischem Knochenverlust aufgrund von Unfällen oder Krankheiten kann der Prozess der Knochenregeneration nicht stattfinden und die chirurgische Behandlung mit Knochen-transplantaten ist erforderlich. Lithographie-basierte additive Fertigungsmethoden sind ideale Werkzeuge für die Herstellung biokompatibler und bioabbaubarer, patientenspezifischer Gerüststrukturen für das Bone Tissue Engineering. Die derzeit verwendeten Photopolymere auf der Basis von (Meth)acrylaten, Vinylestern oder Vinylcarbonaten erfüllen jedoch nicht die hohen Anforderungen an in vivo anwendbare Implantate, da Restmonomere zu Irritationen oder Zelltoxizität führen können, und Polymere ein unerwünschtes Abbauverhalten oder unzureichende Abbauraten aufweisen. Darüber hinaus weisen Materialien oft eine hohe Sprödigkeit, hohen Schrumpf und geringe Festigkeit auf, was ihre Anwendbarkeit weiter einschränkt.In dieser Arbeit wurden zwei Strategien untersucht, bei denen kleine Molekülbausteine verwendet wurden, um Photopolymere herzustellen, welche gute mechanische Eigenschaften mit verbessertem Abbauverhalten kombinieren. Einerseits wurden cyclopolymerisierbare Monomere (CPMs) untersucht, die Vorteile wie einen geringen Schrumpf und die Bildung rigider Polymere mit zyklischem Rückgrat aufweisen und gleichzeitig den Einbau hydrolytisch labiler Gruppen in die Monomerstruktur ermöglichen. Als abbaubare Motive wurden Acetal- und Carbonatgruppen sowie Heteroatome wie Phosphor, Silizium oder Bor verwendet, die weniger stabile Bindungen zu Sauerstoff im Vergleich zu Kohlenstoff ausbilden. Mehrere CPMs wurden erfolgreich synthetisiert und auf ihre Cyclopolymerisationstendenz getestet, die jedoch sowohl mit radikalischen als auch mit kationischen Initiatoren gering war. Folglich wurden Allylether- und Allylestermonomere entwickelt, welche rigide Strukturelemente sowie Heteroatom-Sauerstoff-Bindungen enthielten. Durch ihren Einsatz in Verbindung mit Thiol-En-Chemie wurden homogene und zähe Netzwerke gebildet, die an den jeweiligen hydrolysierbaren Bindungen gespalten werden konnten. Zyklische Borsäureester wurden als abbauverbessernde Verbindungen festgestellt, und zeichnen sich durch eine einfache Synthese, deutlich geringere Toxizität im Vergleich zu (Meth)acrylaten und geringeren Schrumpf aus. Weiters führen sie zu Materialien mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und beschleunigtem Abbau durch Oberflächenerosion bei Bedingungen, bei denen die Knochenregeneration stattfindet. Letztlich wurde eine Teststruktur erfolgreich mittels 3D-Druck hergestellt, was die Eignung dieser Monomere für die Herstellung von biokompatiblen und bioabbaubaren Gerüststrukturen für die Knochenregeneration belegt.

In case of critical bone loss due to accidents or diseases, the process of bone regeneration cannot be fulfilled, and additional surgical intervention in the form of bone transplants is required. Lithography-based additive manufacturing technologies were shown to be ideal tools for the fabrication of biocompatible and biodegradable, patient-specific regeneration scaffolds used in bone tissue engineering. However, currently employed state-of-the-art photopolymers based on (meth)acrylates, vinyl esters, or vinyl carbonates do not meet the high requirements for implants used in vivo, as they display irritancy or even cytotoxicity of residual monomers, undesirable degradation behavior leading to failure or insufficient degradation rates. Additionally, formed materials exhibit high brittleness, shrinkage, and poor strength, further limiting their use for the intended application.In this thesis, two strategies were investigated involving small molecule building blocks for the generation of photopolymers that combine superior mechanical properties with enhanced degradation compared to state-of-the-art materials. Cyclopolymerizable monomers (CPMs) were investigated as building blocks, comprising advantages such as lower shrinkage and the formation of rigid polymers with cyclic backbone structures while allowing the incorporation of hydrolytically labile groups. As degradable motifs, acetal and carbonate moieties, as well as heteroatoms, including phosphorus, silicon, or boron, forming less stable bonds to oxygen than carbon were used. Several CPMs were successfully synthesized and tested for their cyclopolymerization tendency, which, however, was found to be low with both radical and cationic initiators. Consequently, allyl ether and allyl ester monomers comprising rigid structural elements and heteroatom-oxygen bonds were developed. By employing them in thiol-ene chemistry, homogeneous and tough networks were formed, which could be cleaved at the respective hydrolyzable bonds. Cyclic boronic esters were discovered as efficient degradation enhancers, combining a facile synthesis, significantly lower toxicity compared to (meth)acrylates, reduced shrinkage, and exceptional material properties with accelerated degradation via desired surface erosion under conditions present during bone remodeling. Ultimately, a test structure was successfully 3D-printed, supporting the suitability of these monomers for the production of biocompatible and biodegradable bone regeneration scaffolds.