Toughness-enhancing additives for additive-manufactured bone replacement materials

Abstract

Eine gestörte Knochenregeneration kann durch Krankheiten oder Unfälle hervorgerufen werden, was des Weiteren zum Verlust von Knochen führen kann. Tissue Engineering befasst sich mit der Entwicklung von Materialien, welche zur Herstellung von Implantaten für den Knochenersatz verwendet werden sollen, um die Knochenregeneration zu fördern. Diese Knochenersatzmaterialien können durch lithographiebasierte additive Fertigungsverfahren hergestellt werden. Hier sind (Meth)acrylate die derzeit am weitesten verbreiteten Monomere, da sie eine hohe Reaktivität und gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Allerdings werden sie als reizend und teilweise zytotoxisch eingestuft, und ihre Abbauprodukte (Polysäuren) können das umliegende Gewebe schädigen. Daher werden stattdessen Vinylester (VE) verwendet, um diese Probleme zu umgehen. Leider zeigen diese eine verringerte Reaktivität, weshalb die Thiol-En-Polymerisation eingesetzt wird, um diese zu erhöhen. Darüber hinaus weisen die erhaltenen Netzwerke häufig eine hohe Sprödigkeit auf. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit zwei Konzepte zur Verbesserung der Materialeigenschaften, insbesondere der Zähigkeit, vorgestellt.Die Zugabe von z.B. hochmolekularen Polymeren zu einem Thiol-En-System auf VE-basis kann die Zähigkeit des Endmaterials verbessern. Aus diesem Grund wurden verschiedene modifizierte Additive synthetisiert und ihre Auswirkungen auf das Endpolymer bestimmt. Diese Additive basierten auf Poly(ɛ caprolacton), da es bereits als biologisch abbaubares und biokompatibles Polymer verwendet wird und sich in vorherigen Untersuchungen als Zähigkeitsverbesserer erwiesen hat. Um den Einfluss der Additive auf das fertige Polymer zu untersuchen, wurden Zugversuche, DMTA- und photorheologische RT-FT-NIR-Messungen durchgeführt. Diese Experimente zeigten einen Anstieg der Zähigkeit, alle Tgs lagen weit über der Körpertemperatur und diese Additive führten nicht zu einer signifikanten Verringerung der Reaktivität.Zusätzlich wurde die Herstellung von interpenetrierenden Polymernetzwerken (IPNs) betrachtet. Hier wurde das rigide Netzwerk auf seine (thermo)mechanischen Eigenschaften untersucht und anschließend optimiert. Ebenfalls wurde der Einfluss des flexiblen Netzerkes mit zunehmender Menge auf das rigide Netzwerk untersucht. Hierbei zeigten DMTA Messungen, dass alle Tgs weit oberhalb der Körpertemperatur lagen und die Zähigkeit der Materialien deutlich verbessert werden konnte. Diese Ergebnisse zeigten, dass die Verwenung von modifiziertem PCL als Zähigkeitsverbesserer und auch IPNs als Herstellungsverfahren für Knochenersatzmaterialien geeignet sind.

Diseases or accidents can lead to disturbed bone regeneration or loss of bone. In order to promote bone regeneration, tissue engineering is concerned with the development of materials for manufacturing artificial bone replacement materials. These can be produced by lithography-based additive manufacturing technologies. In this area, (meth)acrylates are currently the most advanced monomers. They combine favorable reactivity and mechanical properties. However, they are irritating and sometimes cytotoxic, and their degradation products (poly acids) can damage surrounding tissue. Therefore, vinyl esters (VEs) are used to circumvent these problems. Unfortunately, they lead to a decrease in reactivity, which is why thiol-ene polymerization is used to boost it. In addition, the networks are often highly brittle. This work presents two concepts to improve the material properties, especially the toughness. On the one hand, high molecular weight polymers can be added to a vinyl ester-based thiol-ene system to improve the toughness of the final material. Therefore, different modified toughness-enhancing additives were synthesized. These additives were based on poly(ε caprolactone), as it is already used as a biodegradable and biocompatible polymer and has been shown to be a toughness-enhancing motif. Tensile tests, DMTA measurements, and RT-FT NIR photorheological measurements were performed to investigate the influence of toughness enhancers on the final polymer. These experiments showed increased elongation at break with no loss in tensile strength. It was also demonstrated that all Tgs were far above body temperature and that the addition of toughness enhancers did not significantly decrease reactivity. In addition, the formation of interpenetrating polymer networks (IPNs) has been investigated. The hard network was investigated for its (thermo)mechanical properties and subsequently optimized. Furthermore, the flexible network was generated, and its influence on the hard network with increasing amounts was determined. Here, excellent results were generated as well. The glass transition temperatures were above body temperature, and the toughness of the materials could be significantly increased. These results demonstrate the applicability of modified PCL as a toughness enhancer and IPNs as a suitable method for manufacturing bone graft substitutes.