Calcium phosphate polymer hybrid materials

Calcium phosphate (CaP) is of strong interest to the medical field because of its potential for bone repair, gene transfection, etc.1-3 Nowadays, the majority of the commercially available materials are fabricated via “classical” materials science approaches, i.e. via high temperature or high pressure approaches, from rather poorly defined slurries, or from organic solvents.3,4 Precipitation of inorganics with (polymeric) additives from aqueous solution on the other hand enables the synthesis of inorganic or organic/inorganic materials that are often much more closely related to biological structures, for example in bone.5,6 Bone consists mainly of calcium phosphate, which is present in the form of hydroxyapatite (figure 1) in addition of proteins like collagen and other proteins such as growth factors.7
This thesis combines the benefits of “classical” materials science approaches and inorganic precipitation from aqueous solutions by using biodegradable polyesters as scaffolds for calcium phosphate mineralization. The objective of this work was to design new polymeric scaffolds supporting calcium phosphate mineralization to obtain new bone substitute materials based on polyesters.
Polyesters are biodegradable polymers and can be synthesized by standard techniques such as polycondensation or ring opening polymerization. The polyester should be spun into fiber mats via electrospinning and calcium phosphate should mineralize on the mats to yield a biocompatible, biodegradable, and tunable hybrid material.
To ensure proper function of the home-built electrospinning-apparatus, polyesters like poly(caprolactone), poly(hydroxybutyrate) and poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) were initially chosen to compare the results with the literature.9-11 All of these polyesters have already been electrospun.12,13 The polymers were used, both in literature and in this work, as high molecular weight polymers such as poly(caprolactone) with a molecular mass of about 80000 g/mol. The molar mass influences the viscosity of the polymer solution, which is one important property for the electrospinning process.
For that reason, a further part of the thesis was concerned with the synthesis of high molecular weight polyesters with good solubility. Additionally, modifications at the polyester should be possible by simple “thiole-ene” click chemistry to afford polymers that can easily and rapidly be modified for different growth conditions. Modification of the polyester leads to various functional groups in the side-chain of the polymer. Different functional groups have an influence on calcium phosphate growth. Because the synthesis of α-allylpolyester is already known,14 this polyester was chosen to achieve all the noted properties.
Besides, a coating for the “shape memory” material Nitinol was developed. This work was realised in collaboration with Admedes Schüssler GmbH. A shape memory alloy is a material that “remembers” its original shape and returns to that shape after being deformed. Among others, Nitinol is used as stent material. Stents are implants to keep hollow organs (such as arteries) open.
For the Nitinol coating, the layer-by-layer (LbL) technique was used.15 For LbL, negatively and positively charged polyelectrolytes (charged polymers) are needed. Heparin and chitosan, two charged polysaccharides already used for medical applications, were selected.16 Calcium phosphate was then grown on the coatings to vary the surface characteristics. The surface influences the cell adhesion. Therefore, the coating may assist or inhibit tissue formation and growth, which is an important parameter for the efficiency of an implant.
This thesis is structured as follows: The introduction discusses approaches for the fabrication of bioinspired calcium phosphate hybrid materials by precipitation from aqueous solution. The first part of the introduction focuses on polymers and self-assembling structures for the design of CaP/organic hybrids and pure CaP with crystal structures and morphologies regulated by the respective additive. The influence of polymers in calcium phosphate composites with focus on the used polyesters is discussed subsequently. A summary of the most commonly used techniques and methods completes the introduction.
Chapter 2 introduces the electrospinning process and setup. The influence of different experimental parameters on fiber mat formation is discussed. The synthesis of the α-allylpolyester is described in Chapter 3, including synthesis problems. The Nitinol coating is the subject of Chapter 4. Also further developments of the layer-by-layer technique and its use for this project are discussed.
Kalziumphosphate sind für medizinische Anwendungen sehr interessant. Als Knochenersatzmaterialien oder für die Gentransfektion besitzen sie grosses Potential.1,2 Die meisten kommerziell verfügbaren Kalziumphosphate werden heutzutage immer noch unter hohem Druck und hohen Temperaturen hergestellt.1-3 Zudem ist die Zusammensetzung der Ausgangsmasse oft nicht gut definiert oder die Reaktionskomponenten und -mischungen enthalten organische Lösungsmittel.3,4
Hauptbestandteil der menschlichen Knochen ist Kalziumphosphat in Form von Hydroxyapatit (Abbildung 1). Zusätzlich besteht der Knochen aus Wasser und organischen Materialien wie Kollagen oder anderen Proteinen.7 Knochen ist eines der härtsten Materialien im menschlichen Körper und er kann sich bei Defekten und Beschädigungen regenerieren. Um die in der Natur vorkommenden Strukturen so identisch wie möglich simulieren zu können, ist es erstrebenswert, anorganische Materialien aus wässrigen Lösungen zu fällen. Dabei können auch (organische) Zusätze eingebracht werden, um der biologischen Vielfalt noch näher zu kommen.5,6
Als Ausgangslage dieser Doktorarbeit dient die Mineralbildung von Kalziumphosphaten aus wässrigen Lösungen. Synthetische, chemisch leicht zu modifizierende Polyesterfasern dienen dabei als Gerüst für die Fällung des Kalziumphosphats. Die Doktorarbeit hat unter anderem zum Ziel, ein neues Polymer zu entwickeln, auf welchem Kalziumphosphat mineralisiert werden kann.
Um die mit Kalziumphosphat mineralisierten Polymere als Knochenersatzmaterial verwenden zu können und daraus einen Mehrwert für den Patienten und damit auch für die Industrie erzielen zu können, fiel die Wahl des Polymers auf einen Polyester. Polyester sind biologisch abbaubare Polymere, welche synthetisch recht einfach zugänglich sind. Der erhaltene Polyester sollte dann mittels der Elektrospinning-Technik zu einer Fasermatte verarbeitet werden, bevor er als Unterlage für das Kalziumphosphatwachstum genutzt wird.
Um herauszufinden ob die selbst aufgebaute Elektrospinning-Apparatur wie gewünscht funktioniert, sollten zuerst Polyester wie Poly(caprolakton), Poly(hydroxybutyrat) und Poly(hydroxybutyrat-co-hydroxyvalerat) mit dieser neuen Apparatur verarbeitet werden. Die genannten Polyester wurden bereits mehrfach mit dem Elektrospinning-Verfahren zu Fasern gesponnen und konnten daher mit den in der vorliegenden Arbeit erhaltenen Resultaten verglichen werden.9-11 Grosse Polymerketten lassen sich besser und uniformer spinnen.17 Daher wurden bisher und auch in der vorliegenden Arbeit, Polyester mit hohem Molekulargewicht eingesetzt. Es wurde z. B. Poly(caprolakton) mit einem Molekulargewicht von ca. 80000 g/mol verwendet.12,13
Ein Kernziel der Arbeit war es, einen neuen Polyester herzustellen, der ein hohes Molekulargewicht aufweist und trotzdem gut löslich ist. Ausserdem sollte das Polymer einfach zu modifizieren sein, um neue Funktionalitäten einführen zu können. Funktionelle Gruppen können das Kalziumphosphatwachstum und spätere Adhäsion der Zellen beeinflussen. Ein Polyester, der all diesen Anforderungen gerecht werden sollte, ist der α-Allylpolyester. Dieser Polyester wurde bereits erfolgreich mit hohem Molekulargewicht synthetisiert.14
Ein weiteres Projekt befasst sich mit der Entwicklung einer Beschichtung für Nitinol. Dies wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Admedes Schüssler GmbH verwirklicht. Nitinol ist eine Legierung aus Nickel und Titan, die als Stentmaterial verwendet. Stents sind Implantate, die in Hohlorgane (z. B. Arterien) eingebracht werden, um diese offen zu halten. Das Material ist sehr interessant, da es aussergewöhnliche Eigenschaften aufweist. Wenn Nitinol mechanisch deformiert wird, bleibt es in dieser neuen Form. Wird es später erwärmt, nimmt das Nitinol wieder die Originalgestalt vor der Deformierung an. Zudem ist Nitinol weniger starr als Titan.
Um dieses Material zu beschichten, wurde die bekannte Layer-by-Layer-Technik15 angewandt. Als Polyelektrolyte (geladene Polymere) wurden Heparin als negativ geladene und Chitosan als positiv geladene Komponente verwendet. Beides sind Polysaccharide, die sich für medizinische Anwendungen bereits etabliert haben.16 Anschliessend wurde Kalziumphosphat auf dieser Polyelektrolytschicht mineralisiert, um die Stentoberfläche zu variieren. Die Oberfläche beeinflusst die Adhäsion der Zellen und somit das An- und Einwachsen von Gewebe.
Die Doktorarbeit gliedert sich wie folgt: eine Literaturübersicht gibt zunaechst einen detaillierten Einblick in die Kalziumphosphatmineralisation aus wässrigen Lösungen. Dabei liegt der Fokus bei der Mineralisation in Anwesenheit von Polymeradditiven und deren Einfluss auf die Morphologie der anorganischen Strukturen. Im zweiten Teil der Einleitung werden die für das Elektrospinning verwendeten Polyester vorgestellt. Hier liegt der Fokus auf Verarbeitung und Gebrauch im Zusammenspiel mit Kalziumphosphat. Eine kurze Vorstellung der experimentellen Techniken und Charakterisierungsmethoden soll die Nachvollziehbarkeit der Arbeit erleichtern.
Im zweiten Kapitel wird das Elektrospinning beschrieben. Dabei wird auch der Aufbau der Apparatur erklärt und auf den Einfluss der Parameter für die resultierenden Fasermatten eingegangen. Die Synthese des α-Allylpolyesters und dessen Weiterverarbeitung ist Thema des dritten Kapitels. Die Probleme, die dabei aufgetaucht sind, werden intensiv diskutiert. Die Polyelektrolytbeschichtung des Nitinols wird im vierten Kapitel behandelt.