New monomers for 3D printing of filled bone substitute materials

Abstract

Da die Weltbevölkerung immer älter wird, treten Erkrankungen des Knochengewebes und Knochenbrüche zunehmend häufiger auf. Daher steigt die Nachfrage nach neuen Ansätzen im Bereich der Knochengeweberegeneration. Der Fortschritt lichtbasierter additiver Fertigungstechnologien ermöglicht die Herstellung komplexer, patientenspezifischer Implantate aus photopolymerisierbaren Formulierungen. Diese müssen vorübergehende mechanische Stabilität bieten, biokompatibel sein und gleichzeitig die Neubildung von Knochengewebe ermöglichen. Verbundmaterialien stellen hierfür vielversprechende Kandidaten dar, da sie die gute Verarbeitbarkeit von Polymeren mit der Bioaktivität keramischer Materialien wie Hydroxylapatit kombinieren. Durch die Verwendung eines biokompatiblen, photopolymerisierbaren Binders können zusätzliche Prozessschritte nach dem Druck, wie Entbinderung und Sintern, die üblicherweise bei der lithographiebasierten Keramikfertigung (LCM) erforderlich sind, vermieden werden.In dieser Arbeit wurde eine Thiol-En-basierte, photopolymerisierbare Formulierung mit Hydroxylapatit-Partikeln untersucht, um ihre Eignung zur Herstellung von Knochenersatzmaterial zu bewerten. Zu diesem Zweck wurden silyl-ether-basierte Monomere mit Thiol- und Norbornen-Funktionalitäten synthetisiert und zur Bereitung des Binders verwendet, der zusätzlich einen Photoinitiator und einen Stabilisator enthält. Darüber hinaus wurden gefüllte Formulierungen (Schlicker) mit unterschiedlichen Anteilen an Hydroxylapatit hergestellt, sowohl mit als auch ohne rheologische und dispergierende Additive. Der Binder sowie die daraus resultierenden Schlicker wurden hinsichtlich ihrer Stabilität, ihres rheologischen und photorheologischen Verhaltens, sowie ihrer mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften charakterisiert. Insbesondere wurde der Einfluss des Hydroxylapatit-Gehalts und der Additive auf die rheologischen Eigenschaften und die Photopolymerisation untersucht. Zusätzlich wurden die thermomechanischen und mechanischen Eigenschaften der resultierenden Materialien analysiert, um ihre Eignung für biomedizinische Anwendungen zu bewerten. Abschließend wurde die Druckbarkeit des reinen Binders sowie der Schlicker mit Additiven mithilfe eines 3D-Druckers auf Basis der Digital Light Processing-Technologie untersucht. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass das untersuchte System mit Hydroxylapatit-Partikeln ein vielversprechendes Material für potenzielle Anwendungen im Bereich der Knochengeweberegeneration darstellt.

As the global population ages, bone tissue-related diseases and fractures are becoming more common. Therefore, the demand for new approaches in the field of bone tissue engineering (BTE) is increasing. The rise in light-based additive manufacturing technologies enables the production of complex, patient-specific bone scaffolds using photopolymerizable formulations. Those scaffolds need to provide temporary mechanical support and be biocompatible while also enabling new bone tissue formation. Composite materials are promising candidates for this purpose as they combine the good processability of polymers with the bioactivity of ceramic materials like hydroxyapatite. The use of a biocompatible, photocurable binder makes it possible to avoid additional steps after printing such as debinding and sintering, which are usually required in lithography-based ceramic manufacturing (LCM). In this work, a thiol-ene based photocurable formulation containing hydroxyapatite particles was investigated to evaluate its suitability as a bone substitute material. For this purpose, silyl ether-based monomers with thiol and norbornene moieties were synthesized and used to prepare the photopolymerizable binder that also contains a photoinitiator and a stabilizer. Furthermore, filled formulations (slurries) with different amounts of hydroxyapatite were prepared both with and without rheology and dispersing additives. The binder as well as the resulting slurries were characterized with regards to their stability, rheological and photorheological behavior as well as their mechanical and thermomechanical performance. In particular, the influence of hydroxyapatite contents and additives on the rheological properties and the photopolymerization was investigated. Furthermore, thermomechanical and mechanical properties of the resulting formulations were analyzed to evaluate their suitability for biomedical applications. Finally, the printability of the pure binder and the slurries containing additives was investigated using a DLP printer. Overall, the results indicate that the investigated system containing hydroxyapatite particles represents a promising material for potential applications in bone tissue engineering.