Biocompatible composite photopolymers for 3D printing

Abstract

Der Markt für Bio-Implantate wächst jedes Jahr auf Grund der zunehmenden Anzahl chronischer Knochen- und Gelenkserkrankungen wie Osteoarthritis, Osteonekrose, Wirbelbrüchen, altersbedingten Verletzungen und andere Erkrankungen. Im Jahr 2012 betrug der Marktwert $94,1 Milliarden weltweit und bis 2017 wird ein Wachstum von 7,3% erwartet. Eine Expansion auf diesem Gebiet ist untrennbar mit der Entwicklung und Weiterentwicklung von Biomaterialien und Fertigungstechniken verbunden. Die aktuelle Herangehensweise in der Regenerativen Medizin und Gewebsrekonstruktion (Tissue Engineering) ist die Konstruktion eines strukturellen Gerüsts (Scaffold) aus biokompatiblem, biologisch abbaubarem Material, dass zum einen mechanische Stabilität und Form gewährleistet und zum anderen die extrazelluläre Matrix des betroffenen Gewebes imitiert und damit das Wachstum neuen Gewebes ermöglicht. Die Abbauprodukte des Scaffolds sollten keine Zelltoxizität aufweisen und sollten leicht vom Körper abtransportiert werden können, außerdem sollte die Abbaurate in etwa der Wachstumsrate des nachwachsenden Gewebes entsprechen. Ziel dieser Arbeit war es, Additive Manufacturing Technologien (AMT) unter Verwendung photopolymerisierbarer Thiol-En Systeme im Hinblick auf die Fertigung potentieller Knochenersatzmaterialien zu untersuchen. Vinylester haben sich kürzlich als ideale Kandidaten erwiesen um die zur Zeit gebräuchlich Acrylate und Methacrylate als En-Komponenten zu ersetzen, da sowohl die Monomere selbst als auch potentielle Abbauprodukte geringere Toxizität aufweisen. Ausgehen von Divinyladipat, dem einzigen kommerziell erhältlichen difunktionellen Vinylester, wurden verschiedene Monomere synthetisiert. Als Thiol-Komponente wurden drei verschiedene trifunktionelle Thiole untersucht: Trimethylpropane tris(3-mercapropropionat) (TMPMP), ethoxyliertes Trimethylpropane tris(3-mercaptopropionat) mit einem Molekulargewicht von 700 (ETTMP700) und 1300 (ETTMP1300). Diese Auswahl an Substanzen deckt einen breiten Bereich sowohl mechanischer Eigenschaften als auch Abbauverhaltens ab. Um die Eigenschaften weiter zu verbessern wurde anorganische Partikel eingearbeitet und so einen Kompositwerkstoff zu erhalten. Die Fertigungsmethode der Wahl war Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM).

The market for bio-implants is growing every year due to the increase of chronic bone and joint diseases such as osteoarthritis, osteonecrosis, vertebral fractures, old age-related trauma and other diseases. 2012 this market was worth $94.1 billion worldwide and is expected to grow 7.3% until 2017. Expansion of this field is inseparably related to the fields of biomaterials and development/improvement in processing techniques. The current approach in Regenerative Medicine and Tissue Engineering is to create temporary scaffolds from biocompatible, biodegradable materials that on one hand provides suitable mechanical properties and structure to replace/support the damaged tissue and on the other hand mimic the extracellular matrix of the concerned tissue and therefore helps cells to attach and proliferate. The degradation of the scaffold should result in non-toxic products that can easily be transported out of the system and the rate should not be faster than the growth rate of the regenerating tissue. The scope of this work was to investigate the application of Additive Manufacturing Technologies (AMT) using photopolymerizable Thiol-Ene systems for potential bone replacement materials. Vinyl esters have proven recently to be ideal candidates to replace acrylates and methacrylates as Ene component due to the low cytotoxicity of the monomers and potential degradation products. Starting from the only commercially available difunctional vinyl ester divinyl adipate different monomers were synthesized. As Thiol components three different thrithiols with low cytotoxicity were investigates: trimethylpropane tris(3-mercapropropionate) (TMPMP), ethoxylated trimethylpropane tris(3-mercaptopropionate) of molecular weight 700 (ETTMP700) and 1300 (ETTMP1300). This variety of materials covers a wide range of both mechanical properties and degradation behavior. To enhance the properties even further, inorganic particles were incorporated to form composite materials. The chosen manufacturing technique was Lithography-base Ceramic Manufacturing (LCM).