A systematic study on self-reinforcing thermoplastic urethane/urea elastomers

Abstract

Kardiovaskuläre Erkrankungen sind als weltweit führende Todesursache ein Hauptanliegen des Gesundheitswesens. Durch das steigende Durchschnittsalter der Bevölkerung schlägt sich der Einfluss eines ungesunden Lebensstils stärker nieder und die bereits jetzt große Bedeutung dieser Erkrankungen auf das Gesundheitswesen wird auf ein noch höheres Level ansteigen. Bei vielen Erkrankungen wurden große Fortschritte in der Behandlung erzielt, allerdings sind die Behandlungsmöglichkeiten der Erkrankungen von kleinen Blutgefäßen noch stark limitiert. Als eine Antwort wird Tissue Engineering gesehen, welches neue Behandlungsmöglichkeiten bieten könnte und die Hoffnung auf einfache und individuelle Lösungen eröffnet. Das Endziel wäre hierbei in situ Tissue Engineering: durch das Bereitstellen einer passenden und jederzeit verfügbaren, durch Tissue Engineering hergestellten Blutgefäßprothese wird die Funktion des geschädigten Gewebes während des natürlichen Heilungsprozesses aufrechterhalten und letztendlich durch körpereigenes Gewebe wieder übernommen. Erste Schritte in Richtung dieses Ziels wurden bereits durch die vielversprechenden Ergebnisse früherer Arbeiten mit thermoplastischen Poly(urethan/urea) Elastomeren erreicht. Aufgrund deren typischer Hart- und Softblock Struktur werden die mechanischen Anforderungen an hohe Reißfestigkeit bei gleichzeitiger Elastizität erfüllt. Außerdem wird durch die Thermoplastizität des Materials die Möglichkeit zur Verarbeitung zu benötigter Architektur mittels Electrospinning gewährleistet. Als Multikomponentensystem ist eine hohe Flexibilität in der Monomersubstitution und der Variation der Monomerverhältnisse möglich um das Endmaterial an benötigte Anforderungen anzupassen. Auch eine Inkorporation von biologisch abbaubaren Spaltungsstellen ist beschrieben, um die als Übergangslösung konzipierten Prothesen langfristig durch körpereigenes Gewebe zu ersetzen.Die neuesten Ergebnisse zeigten noch weitere Möglichkeiten für Materialeigenschaften auf: Durch die Einführung von sterisch gehinderten Ureabindungen („hindered urea bonds/HUB“) wird ein dynamisches Verhalten auch unter milden Bedingungen zugänglich, da sich durch die Destabilisierung der Ureabindung durch sterisch anspruchsvolle Stickstoffsubstituenten die mechanischen Eigenschaften auch noch in fester Form verändern können. Diese Veränderung wurde erstmals in einer früheren Arbeit in der Erhöhung der Zugfestigkeit nach Auslösen einer Selbstverstärkung durch Feuchtigkeit aufgezeigt. In dieser Arbeit wird der Umfang solcher Materialien erweitert: die bereits erwähnte breite Austauschbarkeit einzelner Monomere und Einführung von Monomeren, welche sterisch gehinderte Ureabindungen erzeugen wird genutzt, um neue Materialien zu synthetisieren und mit verschiedenen Analysenmethoden und mechanischen Tests zu analysieren.

Cardiovascular diseases are the primary concern of healthcare professionals as they are the leading cause of death worldwide. With aging societies, the impact of unhealthy lifestyles increases and the already strong influence of these diseases on public health will rise to even higher levels. For many of these diseases, significant achievements have been made, however for diseases of blood vessels with small diameters, the treatment options are still fairly limited. To combat this, the field of tissue engineering could offer new possibilities and hopes to achieve a solution with broad and easy applicability to tailor to each patient’s individual needs. The final goal is the achievement of in situ tissue engineering. By supplying the body with a suitable and readily available scaffold, the function of the diseased blood vessel tissue is maintained during the natural healing process of the damaged organ and in the last step, regenerated native tissue again takes over its natural function.The first steps towards such an ambitious goal were already achieved in previous works, which showed promising results using thermoplastic poly(urethane/urea) elastomers. Their typical hard- and soft-block structure combines the mechanical needs of high tensile strength while still being flexible and, through their thermoplastic nature, allow the processing through electrospinning to form the needed architecture. As a multicomponent system, high flexibility with the substitution of monomers and variation of monomer ratios is possible and the behavior of the final materials can be (fine) tuned to specific needs. Also, an introduction of biodegradable cleavage sites was already previously accomplished and shown to be easily possible to allow for the wanted replacement of the tissue-engineered interim solution with native tissue in the long term. The newest achievements showed even more possibilities in the potential properties of such materials with the introduction of hindered urea bonds. This form of urea bonds shows dynamic behavior under mild conditions through the destabilization with sterically demanding nitrogen substituents, allowing the mechanical properties to change even in the final solid form. This was determined by previous findings, which showed that such materials could increase their tensile strength after self-reinforcement triggered by moisture under mild conditions. In this work, the scope of such materials was expanded: through the mentioned broad exchangeability of singular monomers in the thermoplastic poly(urethane/urea) elastomers and the incorporation of monomers forming hindered urea bonds, a wide range of new polymers were synthesized and characterized using different analysis methods and mechanical tests.