Change of mechanical properties of PCL-based ternary composite scaffolds fabricated by solid freeform fabrication technique during in vitro degradation

• Autorzy: Idaszek J. , Święszkowski W. , Kurzydłowski K. J.

Warianty tytułu

PL

Zmiany właściwości mechanicznych rusztowań wykonanych metodą szybkiego prototypowania z kompozytów potrójnych o osnowie PCL podczas degradacji in vitro

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The number of critical bone defects caused by injury, cancer or aging of the world population is increasing. Techniques currently used to repair these defects suffer from several disadvantages, such as a lack of mechanical and biological matching of bone characteristics, the requirement of second surgery and the risk of pathogen transmission. Scaffolds made of bioresorbable polymers are a promising alternative as they temporarily support regeneration of the damaged site and undergo complete degradation after new tissue is formed. The goal of the present study was to determine the changes of the mechanical properties of fibrous PCL-based nanocomposite scaffolds during in vitro degradation. The composite scaffolds containing PCL, 5 wt.% of hydroxyapatite nanoparticles, HA, and different concentrations of PLGA were prepared by combined solvent casting and solid freeform fabrication techniques. The composite scaffolds were subsequently put to a dynamic degradation test. After fixed periods of time, the mechanical properties, mass loss of the scaffolds and change of the surface morphology (SEM) were determined. It was observed that the addition of PLGA accelerated the degradation of the scaffolds. However, the mechanical properties increased during the first weeks of incubation.

PL

Liczba krytycznych ubytków kostnych powstałych w następstwie wypadków, nowotworów czy też na skutek chorób wynikających z wydłużania się przeciętnej długości życia ciągle wzrasta. Techniki ortopedyczne używane obecnie do ich leczenia to alloplastyka oraz auto-, allo- i ksenoprzeszczepy. Techniki te posiadają jednak wady, takie jak możliwość ulegania korozji w przypadku alloplastów (implanty metalowe), ograniczone rozmiary autoprzeszczepów, czy ryzyko przeniesienia czynników chorobotwórczych przy transplantacji allo- i ksenoprzeszczepów. Rusztowania wykonane z polimerów bioresorbowalnych nie posiadają wyżej wymienionych wad, ponieważ ich zastosowanie jest przewidziane jako tymczasowe, a uleganie w środowisku biologicznym resorpcji eliminuje konieczności przeprowadzania dodatkowej operacji. Rusztowania bioresorbowalne mogą być dodatkowo zasiedlone materiałem autogennym pobranym od chorego podczas biopsji. Polikaprolakton (PCL) jest biodegradowalnym poliestrem o bardzo dobrej biozgodności. Jego dodatkowymi zaletami są bardzo dobre właściwości reologiczne oraz wysoka stabilność termiczna. Niestety, polimer ten wykazuje znaczną hydrofobowość oraz bardzo długi okres resorpcji (do 4 lat). Jednym ze sposobów na przyspieszenie degradacji bioresorbowalnych polimerów jest wytworzenie kompozytów z bioaktywnym napełniaczem nieorganicznym lub mieszanki z szybciej degradującym polimerem, np. kopolimerem kwasu glikolowego i mlekowego (PLGA). Przy projektowaniu rusztowań do zastosowań w inżynierii tkankowej niezmiernie ważne jest dopasowanie szybkości resorpcji rusztowania do tempa regeneracji tkanki, tak aby rusztowanie mogło zapewnić stabilność mechaniczną do momentu odbudowy ubytku. Celem niniejszych badań była charakteryzacja procesu degradacji porowatych rusztowań wykonanych z kompozytów potrójnych o osnowie z PCL ze szczególnym uwzględnieniem zmiany ich właściwości mechanicznych. Badania rozpoczęto od wytworzenia materiałów kompozytowych, zawierających nanocząstki hydroksyapatytu oraz różne stężenia PLGA, przez wylanie z roztworu. Następnie z tak przygotowanych kompozytów wytworzono porowate rusztowania za pomocą techniki szybkiego prototypowania. Rusztowania te poddano procesowi degradacji w płynie symulującym środowisko fizjologiczne (ang. Simulated Body Fluid, SBF). W określonych czasowych punktach pomiarowych próbki wyjmowano z roztworu, myto w wodzie destylowanej, suszono w suszarce próżniowej i ważoono w celu wyznaczenia ubytku masy. Następnie w statycznej próbie ściskania badano właściwości mechaniczne rusztowań w celu określenia ich zmiany. W początkowym okresie inkubacji obserwowano wzrost sztywności oraz granicy plastyczności dla wszystkich badanych rusztowań kompozytowych. Po 9 tygodniach inkubacji w SBF nastąpił spadek właściwości mechanicznych rusztowań zawierających najwyższe stężenia PLGA. Dodatek PLGA miał zatem istotny wpływ na szybkość degradacji rusztowań oraz w konsekwencji zmianę właściwości mechanicznych.

Słowa kluczowe

EN

poly(epsilon-caprolactone); PCL; nanocomposites; bioresorption; mechanical test

PL

poli(ε-kaprolakton); PCL; nanokompozyty; bioresorpcja; testy mechaniczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 4
• Strony: 228--231
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Idaszek J.

autor

Święszkowski W.

autor

Kurzydłowski K. J.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Material Science and Engineering, ul. Wołoska 141, 02-507 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Laurencin C.T., Ambrosio A.M.A., Borden M.D., Cooper J.A. Jr., Tissue engineering: Orthopedic applications; Annu. Rev. Biomed. Eng. 1999, 1, 19-46.
• [2] Salgado J., Coutinho O.P., Reis R.L., Bone tissue engineering: State of the art and future trends, Macromol. Biosci., 2004, 4, 743-765.
• [3] Wei J., Wu X., Liu C., Jia J., Heo S.-J., Kim S.-E., Hyun Y.- T., Shin J.-W., Fabrication of bioactive scaffold of poly(ε- caprolactone) and nanofiber wollastonite composite, J. Am. Ceram. Soc. 2009, 92, 1017-1023.
• [4] Nair L.S., Laurencin C.T., Biodegradable polymers as biomaterials, Prog. Polym. Sci. 2007, 32, 762-798.
• [5] Boccaccini A.R., Blaker J.J., Bioactive composite materials for tissue engineering scaffolds, Expert Rev. Med. Dev. 2005, 2, 303.
• [6] Camargo P.H.C., Satyanarayana K.G., Nanocomposites: Synthesis, structure, properties and new application opportunities, Mater. Res. 2009, 12, 1-39.
• [7] Nielsen L.E., Landel R.F., Mechanical Properties of Polymers and Composites, CRC Press, 1994.
• [8] Yasin M., Tighe B.J., Hydroxybutyrate-hydroxyvalerate copolymers: physical and degradative properties of blends with polycaprolactone, Biomaterials 1992, 13, 9-16.
• [9] Van de Velde K., Kiekens P., Biopolymers: Overview of several properties and consequences on their applications, Polymer Testing 2002, 21, 433-442.
• [10] Walo M., Przybytniak G., Nowicki A., Świeszkowski W., Radiation-induced effects in gamma-irradiated PLLA and PCL at Ambient and dry ice temperature, J. Appl. Polym. Sci. 2011, 122, 375-383.