Toughening of photopolymers for additive manufacturing of bone replacements

Abstract

Over the past decade additive manufacturing technologies (AMTs) have emerged and been established in the field of biomedical engineering. Enabling the fabrication of biodegradable and porous scaffolds with virtually any shape and complex geometry, tissue engineering and regenerative medicine (TERM) benefits a great deal from developments in AMT. Such scaffolds enable the regeneration of damaged or diseased tissue rather than requiring replacement. This proposes several advantages compared to conventional treatment, including fast, on-demand production of implants, a lack of secondary or explantation surgery and regain of native tissue with all its benefits. Thus arises the demand for a range of materials to cover various groups of tissues like bone, cartilage and soft tissue representing a wide range of biochemical and mechanical properties. A variety of fabrication methods are available in the field of AMTs, all with their advantages and disadvantages. One group of these methods relies on curing of photosensitive resins, featuring a number of sub methods, depending on the irradiation process. Most of them can be summarised under the term lithography based AMTs (L AMTs). State of the art resins for L AMTs are (meth)acrylates, and although currently in use as biomaterials for various applications, they suffer from various drawbacks. Methacrylates exhibit rather poor reactivity towards photopolymerisation, while acrylates are prone to undergo Michael addition reactions with SH and NH groups in proteins, causing irritation or cytotoxicity at the worst. Furthermore, the networks that are formed upon irradiation have a high crosslink density and are therefore quite brittle. This is especially unfavourable when aiming for bone replacements, where a certain impact resistance is required. From these reasons, the need arose to develop and synthesise novel monomers for photopolymerisation that meet all the set requirements for both the applicability in L AMTs and TERM. That includes suitable photoreactivity, mechanical properties, cytotoxicity and degradation behaviour. Based on previous research, a set of multifunctional vinyl ester monomers was synthesised with divinyl adipate (DVA) as starting molecule. A synergistic combination with the thiol trimethylolpropane tri(3-mercaptopropionate) (TMPMP) showed great potential and was used as starting point for further material developments. Thereby, structures known to have positive influence on impact toughness were incorporated, including cyclic structures and urethane groups. Following a generation-wise approach, several other techniques known for toughening of polymer networks were employed, including thiol ene chemistry, post polymerisation modification and a number of additives. The next step was to thoroughly investigate the polymerisation behaviour of the various formulations along with the resulting mechanical properties of the cured polymers. Mechanical evaluation included tensile testing, impact resistance and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA). Alongside, cytotoxicity of the monomers was studied in cell culture experiments and preliminary in vitro degradation studies were performed in buffered solutions at 37 °C. The most promising formulations, regarding the preliminary tests were printed using lithography based ceramic manufacturing (LCM) and tested again, to optimise the printing process and the post curing treatment. After assessing the influence of sterilisation with γ-radiation, selected formulations were subjected to in vivo testing in sheep. Customised scaffolds were designed based on computer tomography (CT) data and implanted to prove biocompatibility and observe biomechanical properties over a duration of six months. The obtained results support the suitability of the synthesised monomers to fabricate scaffolds for bone tissue engineering.

Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben sich generative Fertigungsverfahren (engl. Additive manufacturing technologies, AMTs) zunehmend weiterentwickelt und auch im Bereich der Biomedizin Anwendung gefunden. Die größten Vorteile liegen in der Möglichkeit, biologisch abbaubare Gerüststrukturen (engl. scaffolds) in beliebiger Form und Komplexität zu fertigen. Dieses können dann eingesetzt werden um beschädigtes oder zerstörtes Gewebe zu regenerieren anstatt dieses zu ersetzen. Diese Vorgehensweise bringt im Vergleich zu konventionellen Behandlungsmethoden einige Vorteile mit sich, darunter eine rasche Verfügbarkeit patientenspezifischer Implantate, keine Notwendigkeit für sekundäre chirurgische Eingriffe oder Explantation und alle Vorzüge der Regeneration körpereigenen Gewebes. Daraus erwächst der Bedarf an einem breiten Spektrum an Materialien, um Gewebearten abzudecken wie Knochen, Knorpel und Weichgewebe, mit den entsprechenden biochemischen und mechanischen Eigenschaften abzudecken. Unter dem Begriff generative Fertigungsverfahren lässt sich eine Vielzahl von Methoden zusammenfassen, jede mit ihren Vor und Nachteilen. Eine Gruppe dieser Methoden, die unter dem Term Lithographie basierte AMTs (L AMTs) zusammengefasst werden kann, basiert auf der Aushärtung eines photosensitiven Harzes. State-of-the-Art Materialien für L AMTs sind (Meth)Acrylate, welche trotz ihrer derzeitigen Verwendung als Biomaterialien in einer Vielzahl von Anwendungen, einige Nachteile mit sich bringen. Methacrylate zeigen oft unzureichende Photoreaktivität, während Acrylate dazu tendieren mit SH und NH Gruppen in Proteinen Michael Additionsreaktionen einzugehen, was zu Reizungen oder sogar Absterben von Zellen führen kann. Des Weiteren sind die resultierenden Polymernetzwerke aufgrund ihres hohen Vernetzungsgrades oft sehr spröde. Dies ist vor allem in der Anwendung als Knochenersatzmaterial problematisch, bei der eine gewisse Schlagzähigkeit vorausgesetzt wird. Aus diesen Gründen war es notwendig, neue, photopolymerisierbare Monomere zu entwickeln und zu synthetisieren. Diese sollten alle gesetzten Anforderungen, sowohl für die Verwendung in L AMTs als auch in der regenerativen Medizin, erfüllen. Das umfasst neben geeigneter Photoreaktivität und mechanischer Eigenschaften auch Zelltoxizität und Abbauverhalten. Auf Grundlage früherer Forschung wurde eine Reihe von multifunktionalen Vinylestern synthetisiert, basierend auf Divinyladipat (DVA) als Grundbaustein. Eine synergistische Kombination mit dem trifunktionellen Thiol Trimethylolpropan tri(3-mercaptopropionat) (TMPMP) hat sich als besonders vielversprechend herausgestellt und wurde als Ausgangspunkt für weitere Materialentwicklung herangezogen. Im Zuge dessen wurden gewisse Molekülstrukturen eingebracht, die bekanntermaßen die Zähigkeit der resultierenden Polymere positiv beeinflussen, darunter Ringstrukturen und Urethangruppen. Über ein Generationen Konzept wurden weitere Methoden zur Verbesserung der Schlagzähigkeit untersucht, einschließlich Thiol En Chemie, Post Polymerisationsmodifikation und diverse Additive. Im nächsten Schritt wurden die einzelnen Formulierungen hinsichtlich ihres Polymerisationsverhaltens und der resultierenden mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Die mechanischen Tests umfassten Zugversuche, Schlagbiegeversuche und dynamisch mechanische Thermoanalyse (DMTA). Parallel dazu wurden Zellkulturexperimente und in vitro Abbaustudien in Puffer bei 37 °C durchgeführt. Die vielversprechendsten Formulierungen hinsichtlich der zuvor ermittelten Messdaten wurden anschließend mittels Lithographie based Ceramic Manufacturing (LCM) verdruckt und erneut getestet. Dies diente unter anderem der Optimierung des Druckprozesses, als auch der passenden Nachbehandlung der Bauteile. Nachdem der Einfluss der Sterilisation mittels γ Strahlen getestet und bewertet wurde, wurden ausgewählte Formulierungen in Tierversuchen im Schaf untersucht. Patientenspezifische Implantate wurden anhand von Computertomographie (CT) Date designt,