Thermoplastic urethane elastomers with hetero atom containing degradation motifs

Abstract

Kardiovaskuläre Erkrankungen, zu denen alle Erkrankungen des Herzens und der Blutgefäße gehören, sind auch heute noch die häufigste Todesursache. Eine häufige Methode zur Behandlung von Gefäßerkrankungen ist die Bypass-Operation, bei der ein verschlossenes oder verengtes Gefäß mit Hilfe einer körpereigenen (autologen) oder künstlichen (alloplastischen) Gefäßprothese überbrückt wird. Insbesondere die Herstellung von künstlichen Implantaten mit kleinen Durchmessern stellt eine große Herausforderung dar, da es hier bei Langzeitanwendung häufig zu Gefäßverschlüssen aufgrund von Durchblutungsstörungen kommt. Daher gibt es für diese Anwendung nur wenige geeignete Materialien. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, ist der Einsatz von In Situ Tissue Engineering. Dabei wird eine abbaubare röhrenförmige Gefäßprothese eingesetzt, die die Neubildung von körpereigenem Gewebe unterstützt und so die Gefäßneubildung an dieser künstlichen Struktur ermöglicht.Thermoplastische Polyurethane (TPUs) haben sich für diese Anwendung als vielversprechende Materialien erwiesen. Ihre segmentierte Struktur in Weich-Blöcke (Makrodiol) und Hart-Blöcke (Diisocyanat und Kettenverlängerer) ermöglicht die Kombination zweier gegensätzlicher Eigenschaften. Dies sind gute mechanische Eigenschaften wie Flexibilität und Festigkeit, um dem Blutdruck zu widerstehen, und Abbaubarkeit, um die Rückbildung des körperfremden Materials zu ermöglichen. Die unvernetzte, lineare Polymerstruktur ermöglicht weiterhin eine gute Verarbeitbarkeit. Dennoch weisen die derzeit verfügbaren TPUs entweder hohe mechanische Eigenschaften in Kombination mit einer moderaten Abbaurate auf oder das Gegenteil ist der Fall. Darüber hinaus neigen insbesondere TPUs mit Carboxyl Ester-basierten Kettenverlängerern (CE) zur Bildung von entzündungsfördernden Abbauprodukten, wie zum Beispiel dem CE Bis(hydroxyethyl)terephthalat (BHET).Um eine erhöhte Abbaurate bei gleichzeitig sehr guten mechanischen Eigenschaften zu erreichen, wurden im Rahmen dieser Forschungsarbeit thermoplastische Polyurethane (TPUs), Polythiourethane (TPTUs) und Polyharnstoffurethane (TPUUs) auf Basis abbaubarer Kettenverlängerer synthetisiert und hinsichtlich ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften sowie ihrer Abbaubarkeit untersucht. Die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen und die sterische Hinderung zwischen den Hart-Blöcken wurde mittels ATR-FTIR-Spektroskopie näher untersucht.Als Weich-Block wurde Polytetrahydrofuran (pTHF) und als Hart-Block das aliphatische Hexamethylendiisocyanat (HMDI) mit verschiedenen Kettenverlängerern kombiniert, um die resultierenden Eigenschaften nur von der Wahl des CEs abhängig zu machen. Der Schwerpunkt lag dabei auf hydrolytisch abbaubaren heteroatomhaltigen Diolen, Diaminen und Dithiolen als Kettenverlängerer. Im Einzelnen wurden Phosphat-, Kieselsäure- und Boronsäure-Ester eingesetzt. Zusätzlich wurde ein Disulfid-haltiger CE eingesetzt, welcher einen reduktiven Polymerabbau ermöglicht. Außerdem wurde ein Furan-basierter Ersatz für BHET synthetisiert, der aus erneuerbaren Basischemikalien hergestellt werden kann. Die neuen Materialien wurden mit bereits bekannten TPUs, die Bis(hydroxyethyl)terephthalat (BHET) als Kettenverlängerer enthalten, und dem kommerziell erhältlichen Pellethane® 2363-80A verglichen. Darüber hinaus wurden TPUs mit zwei verschiedenen Kettenverlängerern auf Basis von BHET und einem zweiten Diol, Diamin und Dithiol synthetisiert, um den Einfluss der CE-Kombinationen auf die finalen Eigenschaften des Materials zu untersuchen und eine Feinabstimmung der Abbaurate zu ermöglichen.

Cardiovascular diseases belong to the worldwide top concerns of healthcare as the population ages and unhealthy lifestyle increases. While significant progress has been made in the treatment of many cardiovascular diseases, options for small diameter blood vessel diseases remain limited. Tissue engineering offers new ways to deal with this challenge and aims to find solutions for individual patients. The ultimate goal is in situ tissue engineering, where a suitable scaffold is provided to maintain the function of damaged blood vessels during natural healing, allowing the regenerated native tissue to take over. Previous research was showing that biodegradable thermoplastic polyurethanes (TPUs) are promising materials for vascular grafts in the field of tissue engineering, due to their excellent mechanical properties and the ability to incorporate degradable moieties. Our research involved the synthesis of thermoplastic polyurethanes (TPUs), polythiourethanes (TPTUs) and poly(urea)urethanes (TPUUs), all based on degradable chain extenders and tested their mechanical, thermal and degradation characteristics. As soft-block we used polytetrahydrofuran and as hard-block the aliphatic hexamethylene diisocyanate in combination with a variety of chain extenders. The focus was set on hetero atom containing diols, diamines and dithiols as chain extenders. In more detail boron-, siloxane- and phosphate-based molecules were used therefore. The new materials were compared with already known TPUs containing 1,4-bis(hydroxyethylene) terephthalate (BHET) as an ester-based chain extender and the commercially available Pellethane. Furthermore, TPUs with two different chain extenders were synthesized based on BHET and a second diol, diamine and dithiol.