Titelaufnahme

Titel
Development and processing of materials for vascular tissue regeneration / von Stefan Baudis
VerfasserBaudis, Stefan
Begutachter / BegutachterinLiska, Robert ; Redl, Heinz
Erschienen2010
Umfang126 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2010
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Tissue Engineering / Blutgefäße / Herzkranzgefäße / Herz-Kreislauf-Erkrankungen / Biomaterial / Bioabbaubar / Photopolymere / Rapid Prototyping / Thermoplastische Elastomere / Elektroverspinnen
Schlagwörter (EN)tissue engineering / blood vessels / coronary vessel / cardiovascular diseases / biomaterial / biodegradable / photopolymers / rapid prototyping / thermoplastic elastomers / electrospinning
Schlagwörter (GND)Blutgefäß / Tissue Engineering / Photopolymere / Rapid Prototyping <Fertigung> / Thermoelast / Verspinnbarkeit
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-38121 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Development and processing of materials for vascular tissue regeneration [5.02 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Eine aufstrebende Disziplin in den Biowissenschaften ist das Tissue Engineering. Diese Disziplin beschäftigt sich mit der künstlichen Herstellung von neuem Gewebe und gilt daher als großer Hoffnungsträger für unsere Gesellschaft, die stetig älter und dadurch aber auch immer mehr von Zivilisationskrankheiten betroffen ist. Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems sind in diesem Zusammenhang besonders hervorzuheben.

Ziel des Tissue Engineering ist es, ein bioabbaubares, poröses Konstrukt (engl. "scaffold") herzustellen, dass sich - sobald im Körper implantiert - durch Anregung körpereigener Regenerationsmechanismen in einem überschaubaren Zeitraum in natürliches Gewebe umformt. Nur in der ersten Phase soll das Konstrukt die volle Funktion des Gewebes übernehmen, aber dann dem neu gebildeten Gewebe weichen.

Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Materialien und die Herstellung von Kontrukten für das Tissue Engineering von Blutgefäßen, im Besonderen für Koronararterien-Bypässe. Die Anforderungen für ein solches Material und die daraus hergestellten Kontrukte sind sehr hoch. Die sollen neben der Abbaubarkeit auch noch mechanische Eigenschaften ähnlich denen des zu ersetzenden Gewebes aufweisen und eine einstellbare Porosität haben, damit gleichmäßiges Einwachsen von neuem Gewebe gewährleistet werden kann.

In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Verarbeitungstechniken näher in Betracht gezogen: die Photopolymerisation-basierte generative Fertigung (engl. "Rapid Prototyping", RP; "Additive Manufacturing Technologies", AMT) und das Elektroverspinnen von thermoplastischen Elastomeren.

Mit Hilfe der generativen Fertigung ist es möglich zellulare Strukturen mit definierter Porosität und Interkonnektivität der Poren herzustellen.

Um die besonders hohen Materialanforderungen zu erfüllen, muss besonderes Augenmerk auf die Netzwerkarchitektur der Photopolymere gelegt werden. Durch Einführung des Thiol-Ene-Konzepts verringert man die Sprödigkeit der Materialien, kann Abbaubarkeit induzieren und hält zudem das Molekulargewicht der Abbauprodukte niedrig. Die Photopolymere aus einer Kombination aus einem kommerziellen Urethandiacrylat, 2 Hydroxyethylacrylat und Ethylenglykolbisthioglykolat erfüllten alle mechanischen Grundvoraussetzungen (E-Modul, Reißfestigkeit, Nahtausreißwiderstand), zeigten gute Biokompatibilität und Abbaubarkeit in in-vitro-Tests und konnten erfolgreich mittels der generativen Fertigungsmethode DLP (engl. "Digital Light Processing") zu zellularen Strukturen verarbeitet werden.

Beim Elektroverspinnen von thermoplastischen Elastomeren erhält man bei geeigneter Prozessführung direkt röhrenförmige Konstrukte, deren Mikrostruktur, aufgrund der zufälligen Anordnung von Nanofasern, der der extrazellulären Matrix sehr ähnelt. Deshalb wachsen Zellen auch trotz der fremden chemischen Umgebung auf diesen Oberflächen sehr gut.

Kommerzielle thermoplastische Urethanelastomere (TPUs) haben bereits ausgezeichnete Eigenschaften als künstliche, elektroversponnene Blutgefäßersatzmaterialien gezeigt. Um das Wachstum einer Neoarterie zu induzieren und damit die Langzeitdurchgängigkeit zu verbessern, ist es aber nötig, dass diese Materialien bioabbaubar sind. Deshalb war es Ziel im zweiten Teil der Arbeit, abbaubare TPUs zu entwickeln. Das Konzept war der Einbau von spaltbaren Bindungen in das Rückgrat der Polymere.

Der Einsatz spaltbarer Kettenverlänger (engl. cleavable chain extender, CCE) führt zu hartblock-abbaubaren TPUs. Es wurden eine Reihe von TPUs mit verschiedenen Laktat- bzw. Ethylenglykol basierten CCE synthetisiert. Die mechanischen Eigenschaften der neuen Polymere waren vergleichbar mit jenen kommerzieller TPUs, auch im versponnenen Zustand.

TPUs mit verschiedenen CCE bauten mit 10 bis 200% der Rate von chirurgischem PLA ab. Die Abbauprodukte zeigten keine Zelltoxizität unter in-vitro-Testbedingungen bis zu einer Konzentration von 1 mmol/L.

Das bestgeeignetste Material wurde im Ratten-Aorta-Modell in-vivo getestet. Die ersten Resultate zeigten eine gute Verträglichkeit des Materials und keine Thrombenbildung.

Zusammenfassung (Englisch)

An emerging discipline in life science is tissue engineering.

This discipline tries the artificial generation of natural tissue and is therefore the big hope of our society which continuously grows older and therefore is increasingly concerned with life style diseases. The emphases in this context are diseases of the cardiovascular system.

The goal of tissue engineering is the fabrication of biodegradable, porous scaffolds which - as soon as grafted the body - trigger the inherent regenerative mechanism of the body and therefore are remodeled to natural tissue in a manageable period of time. Only in the short term the scaffold has to take over the whole function of the tissue but then give way to the new formed tissue.

This work is concentrated on the development of materials and the fabrication of scaffolds for vascular tissue engineering with the main focus on coronary artery bypass grafts. The requirements for such materials and the thereof fabricated scaffolds are very high. Aside the degradability the materials should have mechanical properties which match those of the tissue and possess a tailorable porosity to enable the ingrowth of new tissue.

In this work two different processing techniques were considered in detail: photopolymerization based additive manufacturing technologies (AMT) and electrospinning of thermoplastic elastomers.

By means of AMT it is possible to fabricate cellular structures with defined porosity and interconnectivity of the pores. To fulfill the high material requirements special attention has to be paid on the network architecture of the photopolymers. The introduction of the thiol-ene concept decreases the brittleness of the materials, also induces degradability and furthermore holds the molecular weight of the degradation products low. Photopolymers out of a combination of a commercial urethane diacrylate, 2-hydroxyethyl acrylate and ethylene glycol bisthioglycolate fulfilled all the basic mechanical requirements (elastic modulus, tensile strength and suture tear resistance), exhibited good biocompatibility and degradability in in-vitro tests and could be successfully processed to cellular scaffolds by the AMT DLP (digital light processing).

The electrospinning of thermoplastic elastomers directly leads to tubular scaffolds in case the process is conducted in suitable manner.

The scaffolds possess a microstructure due to the random orientation of the nanofibers, which is very similar to the structure of the extracellular matrix. For this cells grow readily onto these surfaces despite the foreign chemical nature of the material. Commercial thermoplastic urethane elastomers (TPUs) already showed good performances as artificial electrospun vascular prosthetics. In order to induce the growth of a neo-artery and hence increase the long-term patency of the graft the use of biodegradable TPUs is beneficial.

Therefore it was the aim of the second part of this work to develope degradable TPUs. The concept was to introduce cleavable bonds into the backbone of the polymers. The application of cleavable chain extenders (CCE) leads to hard-block degradable TPUs. Therefore a number of TPUs consisting of different lactid- and ethylene glycol-based CCE was synthesized. The mechanical properties of the new polymers are comparable to those of commercial TPUs, also in the electrospun application form. The TPUs with different chain extenders degraded with 10 to 200% of the rate of surgical PLA. The expected degradation products showed no cytotoxicity under in-vitro test conditions up to a concentration of 1 mmol/L. The most suitable material was tested in the in-vivo model of rat aorta. The first results showed a good compatibility of the material and no formation of thrombi.