New building blocks for thermoplastic polyurethane elastomers for vascular tissue engineering

Abstract

Tissue Engineering synthetischer Gefäßprothesen ist ein vielversprechender Ansatz für Therapien bei verschiedensten Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems, welche nicht nur in Österreich, sondern in allen westlichen Ländern die häufigste Todesursache darstellen. Als wichtigste Ursache für häufige Komplikationen, bei der Anwendung von herkömmlichen Materialien als Gefäßprothesen mit kleinem Durchmesser, gelten heutzutage die sich unterscheidenden elastischen Eigenschaften von Blutgefäß und künstlicher Prothese. Thermoplastische Polyurethane sind als innovatives Material, im Bereich der vaskulären Ersatzmaterialien besonders interessant aufgrund ihrer guten Biokompatibilität, ihren elastomeren Eigenschaften und ihrer Verarbeitbarkeit in Schmelze und Lösung. Ein weiterer Vorteil ist die segmentierte Konfiguration von Polyurethanen, bestehend aus einem Makrodiol, als flexiblem Block, und einer Kombination aus Diisocyanat und Kettenverlängerer, als starrem Hartblock. Neben den elastischen Eigenschaften bietet diese Anordnung die Möglichkeit, die Bausteine zur Anpassung der mechanischen Eigenschaften bzw. zur Abstimmung von Abbaugeschwindigkeit und Regeneration des natürlichen Gewebes, zu variieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein geeignetes thermoplastisches Polyurethan-Material für vaskuläres Tissue Engineering herzustellen, welches mittels Elektrospinnen verarbeitet werden kann. Um geeignete Abbauraten und hohe Biokompatibilität zu erreichen, wurden als abbaubare Gruppen Carbonate eingesetzt, wodurch saure Abbauprodukte vermieden werden und daher Entzündungen des umliegenden Gewebes weitgehend verhindert werden. Während Polycarbonat als flexibles Macrodiol und HMDI als passendes Isocyanat im Handel erhältlich sind, mussten geeignete Carbonat Diole als Kettenverlängerer synthetisch hergestellt werden. Die resultierenden Polyurethane wurden auf ihre Abbaubarkeit und mechanischen Eigenschaften hin getestet und mit Referenzmaterialen verglichen, um den am besten geeigneten Kettenverlängerer zu ermitteln.<br />Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer zu synthetisieren, welches die Möglichkeit zur nachfolgenden Modifikation bietet. Dieses Konzept erlaubt die chemische Anbindung von bioaktiven Verbindungen, welche das Einwachsen von natürlichem Gewebe auf verschiedenste Art fördern kann. Da Thiol-En Klickchemie eine schonende Möglichkeit zur Immobilisierung bietet, sollten Polymere mit zugänglichen Doppelbindungen hergestellt werden.<br />Durch Synthese eines Carbonat-basierten Kettenverlängerers mit zugänglichen Allylgruppen, war die Herstellung eines Polyurethans für post Modifikation möglich. Die Reaktivität gegenüber Thiol-En-Klickchemie wurde mittels Dodecanthiol als Test-Verbindung nachgewiesen, welches in Modellreaktionen vollständig immobilisiert werden konnte. Da der hergestellte modifizierbare Kettenverlängerer schlechte mechanische Eigenschaften aufweist wurde er in Kombination mit dem zuvor hergestellten, rein Carbonat basierten Kettenverlängerer, kombiniert um ein verspinnbares Material zu erhalten. In einem finalen Schritt wurde ein Carbonat basiertes, und ein modifizierbares Carbonat basiertes Polymer, elektroversponnen. Die resultierenden synthetischen Blutgefäße weisen vielversprechende mechanische Eigenschaften auf, werden momentan in vitro und in vivo getestet und zeigen großes Potential für den Einsatz in vaskulärem Tissue Engineering.

Tissue engineering of synthetic vascular grafts is a promising approach for therapies in various diseases of the cardiovascular system, which are the leading cause of mortality not only in Austria but also in all western countries. Today compliance and elastic mismatch are considered to be the main reasons for numerous failures, in the application of conventional materials for small diameter grafts in vascular tissue engineering. Thermoplastic polyurethanes are particularly interesting, as a innovative material in the field of vascular tissue engineering, because of their good biocompatibility, elastomeric properties and the amenability to be processed from melt and solution. An additional advantage is the segmented configuration of polyurethanes consisting of a macrodiol, as flexible soft block, and a combination of diisocyante and chain extender, as a rigid hard block.<br />Beside the elastic properties this arrangement provides the opportunity to vary the building blocks to tune the mechanical properties and correlate the degradation rate with the regrowth of native tissue. The goal of this work was to synthesize a suitable thermoplastic polyurethane material for vascular tissue engineering, which can be processed by electrospinning. To achieve appropriate degradation rates and a high biocompatibility we focused on carbonate-based degradation, which won't lead to acidic degradation products and therefore avoids inflammatory response of surrounding tissue. While polycarbonate, as soft block, and HMDI, as suitable isocyanate, were commercially available, different carbonate diols as chain extenders were synthesized. The resulting polyurethanes were tested towards degradability and mechanical properties and compared to reference materials, to evaluate the most suitable carbonate-based chain extender.<br />A second goal in this work was to provide a graft material which provides the possibility of post modification. The concept of post modification allows the attachment of bioactive compounds, on and in the graft, which enhances the biocompatibility by promoting the ingrowth of native tissue. As thiol ene click chemistry is a suitable mechanism for biorthogonal immobilization of bioactive molecules we chose to introduce accessible double bonds into the polyurethane. By synthesis of a carbonate-based chain extender bearing allyl groups, the formation of polyurethanes for post modification was possible. The reactivity towards thiol-ene click chemistry was tested by using dodecane thiol as test compound which could be immobilized completely in model reactions. As the chain extender for post modification showed low mechanical properties, it was combined with the former synthesized carbonate-based chain extender to obtain an electrospinnable material. Finally a carbonate-based graft and a carbonate-based graft for post modification were processed by electrospinning. Both materials provide suitable mechanical properties, are about to be tested in vitro and in vivo, and show great promise in vascular tissue engineering.