Modification of Poly(vinyl alcohol) for two photon polymerisation via thiol-ene chemistry

Abstract

Tissue engineering als Teilgebiet von Biomedizintechnik soll entferntes oder erkranktes Gewebe ersetzen bis der Körper es vollständig nachgebildet hat. Vorrangig dabei ist, dass das synthetische Gewebe dem natürlichen Gewebe so stark als möglich ähnelt und eine gute Biokompatibilität (Fähigkeit von Material, im Wirtsystem keine negativen Reize zu entfalten) aufweist. In Rahmen dieser Arbeit wurden neue Modifikationen von Polyvinylalkohol (PVA) hergestellt. Diese Substanzen sind potentielle Kandidaten für biomedizintechnische Anwendungen. PVA ist ein ungiftiges, wasserlösliches, synthetisches Polymer, das bereits mit einer Vielzahl an funktionellen Gruppen umgesetzt worden ist. Das Ziel dieser Arbeit war es, neue PVA Macromere herzustellen, die durch Photopolymerisation vernetzt und als Material für die Zwei-Photonen-Polymerisation eingesetzt werden. Um die Quervernetzung der Hydrogele herzustellen, wurde Zwei-Photonen-Polyermisation (2PP) benutzt, eine Form von Additive Manufacturing Technologies (AMT). Der Vorteil von 2PP liegt in deren Fähigkeit auch sehr kompliziert geformte Strukturen, selbst mit Überhang, herzustellen, ohne dabei Stützmaterial zu benötigen. Dieses Stützmaterial muss bei anderen AMT Verfahren nach der Strukturierung entfernt werden. Außerdem ist mittels 2PP eine Auflösung von unter 1 -m erreichbar. Es wurde im Rahmen dieser Arbeit die Synthese modifizierter Polyvinylalkohole gezeigt. Toxizitätsstudien haben gezeigt, dass die Macromere in Konzentration von 1% und 0.1% keine Zelltoxizität aufweisen. Weiters wurden mittels Photorheologie der Einfluss von Macromer-Konzentration und Photoinitiator-Konzentration und die Lagerungsstabilit-at mit unterschiedlichen Konzentrationen von Pyrogallol als Inhibitor untersucht. Schließlich wurden noch Prozessfenster von ausgewählten Mischungen für die Anwendung als Material für 2PP ermittelt. Es hat sich gezeigt, dass die entwickelten Macromere vielversprechende Resultate in Bezug auf Reaktivität und Eignung für 2PP aufweisen und damit potentielle Materialien für die Biomedizintechnik darstellen.

Tissue engineering is a part of biomedical engineering which has the aim to replace removed or unhealthy tissue until the body has rebuilt it completely. A high priority of tissue engineering is the production of synthetic tissue that resembles real tissue as much as possible. Biocompatibility is defined as -the ability of a material to perform with an appropriate host response in a specific application- and is of uttermost importance for any material that should be used in the field of tissue engineering. In this thesis, novel modifications of the synthetic polymer poly(vinyl alcohol) were developed for usage in the field of biomedical engineering. Poly(vinyl alcohol) is a non-toxic (FDA approved), watersoluble polymer that has already been modified by a bunch of different functional groups. The aim was to produce novel low cytotoxic PVA macromers that should be photopolymerised and finally used to form hydrogels for biomedical applications. To form the hydrogels, an additive manufacturing technique (AMT, formerly known as rapid prototyping) was used - two photon polymerisation (2PP). The benefits of two photon polymerisation are the possibility to create almost unlimited complex shapes with a resolution of less then 1 -m. In comparison to other stereolithographic techniques, there is no need for supporting material to form shapes with overhang. In this thesis PVA was modified successfully with different functional groups and crosslinked via photopolymerisation. Toxicity studies have shown that the material exhibits almost no cell-toxicity, when used in concentrations of 1% and 0.1% for 24 hours. The cross-linked hydrogels were studied concerning their swellability and have shown a high mass swell ratio. Photorheology was used to optimized mixtures concerning reactivity based on photoinitiator concentration and macromer content. Also the storage stability of the macromer mixtures with different concentrations of pyrogallol as inhibitor has been investigated. Finally processing windows for 2PP of selected mixtures were determined. The synthesized macromers showed promising results for the application in biomedical engineering.