Porowate kompozyty poliuretan/ß-TCP do zastosowań ortopedycznych

• Autorzy: Szczepańczyk P. , Pietryga K. , Pielichowska K. , Chłopek J.

Warianty tytułu

EN

Porous composites polyurethane/ß-TCP for orthopaedic applications

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Celem pracy było otrzymanie serii porowatych kompozytów o osnowie polimerowej modyfikowanych mikrocząstkami ß trifosforanu (V) wapnia (ß-TCP) oraz zbadanie ich właściwości pod kątem zastosowań ortopedycznych. Osnowę otrzymanych kompozytów stanowiły poliuretany ze względu na szereg zalet wynikających z ich budowy chemicznej, m.in. właściwości sprzyjające adhezji żywych komórek i ich proliferacji [1]. Ponadto poliuretany są grupą polimerów o wszechstronnych właściwościach, zmieniających się w zależności od użytych reagentów i średniej masy cząsteczkowej oraz o szerokim wachlarzu zastosowań. Dodatkową zaletą poliuretanów jest potencjalna możliwość wprowadzania ich w miejsce ubytku kostnego metodą iniekcyjną [2]. Kompozyty otrzymywano na drodze jednoetapowej polimeryzacji w masie z 4,4'-diizocyjanianu difenylometanu (MDI), poli(glikolu etylenowego) (PEG) oraz 1,4-butanodiolu (BDO) jako przedłużacza łańcucha. Sulfonowany olej rycynowy (SCO) oraz stearynian wapnia (CS) zastosowano w celu lepszej kontroli porowatości i otrzymania układów o porach otwartych. Struktura otrzymanych materiałów została potwierdzona za pomocą spektroskopii w podczerwieni. Przy użyciu mikroskopu stereoskopowego oszacowano porowatość, ponadto zbadano wytrzymałość na ściskanie oraz przeprowadzono symulacje biologiczne w warunkach in vitro. Przeprowadzono również inkubację w symulowanym płynie fizjologicznym (SBF) w celu wstępnej oceny bioaktywności otrzymanych biomateriałów. Uzyskane wyniki potwierdziły znaczący wpływ dodatku ß-TCP na właściwości mechaniczne otrzymanych układów jak również na poprawę ich bioaktywności. Ponadto zaobserwowano, że dodatek ß-TCP, SCO oraz CS wpływa na porowatość całkowitą i rozmiary porów.

EN

The purpose of the research was to produce a series of porous composite samples with polymeric matrix modified by ß-tri-calcium phosphate (ß-TCP) microparticles and to study their properties considering orthopaedic applications. Polyurethanes were used as the polymeric matrix on account of their advantages resulting from their chemical structure. These materials also promote cell adhesion and proliferation [1]. Moreover these polymers exhibit wide-ranging properties which can be modulated depending on composition and average molecular weight and are used in broad spectrum of applications. Another advantage of polyurethanes is their potential to be injected into the bone defect by minimally invasive technique [2]. The composites were obtained through the one-step synthesis by mixing 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (MDI) with poly(ethylene glycol) (PEG) and 1,4-butanediol (BDO) as a chain extender. Sulphonated castor oil (SCO) and calcium stearate (CS) were applied for better porosity control and to obtain interconnected pore system. Structure of the synthesized materials was confirmed by means of infrared spectroscopy. The porosity was assessed using stereoscopic microscopy. Moreover the compressive strength was studied and in vitro simulation was carried out. Composite samples were also incubated in simulated body fluid (SBF) for preliminary evaluation of the in vitro bioactivity. The research results confirmed significant influence of ß-TCP on mechanical properties and preliminary evaluation of the in vitro bioactivity of the obtained samples. Moreover the influence of ß-TCP, SCO and CS on total porosity and pore sizes was investigated.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty; poliuretany; beta-TCP; inżynieria tkankowa; regeneracja tkanki kostnej

EN

polyurethanes; beta-TCP; tissue engineering; bone tissue regeneration

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 16, no. 121
• Strony: 33--41
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szczepańczyk P.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Pietryga K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Pielichowska K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Chłopek J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Pereira I.M., Gomide V., Orefice R.L., De Fatima Leite M., Arcoverde Cavalcanti Zonari A., Goes A.M.: Proliferation of human mesenchymal stem cells derived from adipose tissue on polyurethanes with tunable biodegradability. Pollmeros 20 (2010) 280-286.
• [2] Hafeman A.E., Li B., Yoshii T., Zienkiewicz K., Davidson J.M., Guelcher S. A.: Injectable Biodegradable Polyurethane Scaffolds with Release of Platelet-derived Growth Factor for Tissue Repair and Regeneration. Pharmaceutical Research 25 (2008) 2387-2399.
• [3] Turner C.H., Burr D.B., Experimental Techniques for Bone Mechanics, in Bone Mechanics Handbook, Second Edition, C. S. C., Editor. 2001, CRC Press. p. 7-1-7-35.
• [4] Łysiak-Drwal K., Dominiak M., Malicka B., Konopka T.: Estimation of the influence of bone defects' dimensions on the healing outcome - 1-year observations. Journal of Stomatology 63 (2010) 365-376.
• [5] Greenwald A.S., Boden S.D., Goldberg V.M., Khan Y., Laurencin C.T., Rosier R. N., American Academy of Orthopaedic Surgeons. The Committee on Biological Implants.: Bone-graft substitutes: facts, fictions, and applications. Journal of Bone & Joint Surgery - American Volume 83 (2001) 98-103.
• [6] Chapekar M.S.: Tissue engineering: challenges and opportuni¬ties. Journal of Biomedical Materials Research 53 (2000) 617-620.
• [7] Hench L.L., Polak J.M.: Third-generation biomedical materials. Science 295 (2002) 1014-1017.
• [8] Navarro M., Michiardi A., Castańo O., Planell J.A., Biomaterials in orthopaedics. Journal of the Royal Society Interface 5 (2008) 1137-1158.
• [9] Szelest-Lewandowska A., Masiulanis B., Klocke A., Glasmacher B.: Synthesis, Physical Properties and Preliminary Investigation of Hemocompatibility of Polyurethanes from Aliphatic Resources with Castor Oil Participation. Journal of Biomaterials Applications 17 (2003) 221-236.
• [10] Król P.: Synthesis methods, chemical structures and phase structures of linear polyurethanes. Properties and applications of linear polyurethanes in polyurethane elastomers, copolymers and ionomers. Progress in Materials Science 52 (2007) 915-1015.
• [11] Zdrahala R.J. Zdrahala I.J.: Biomedical applications of polyurethanes: a review of past promises, present realities, and a vibrant future. Journal of Biomaterials Applications 14 (1999) 67-90.
• [12] Ryszkowska J., Auguścik M.: Właściwości poliuretanów do zastosowań jako podłoża do hodowli tkanek kostnych. Czasopismo Techniczne. Mechanika R. 106, z. 1-M (2009) 287-293.
• [13] Guelcher S.A., Patel V., Gallagher K.M., Connolly S., Didier J.E., Doctor J.S., Hollinger J.O.: Synthesis and in vitro biocompatibility of injectable polyurethane foam scaffolds. Tissue Engineering 12 (2006) 1247-1259.
• [14] Yoshii T., Dumas J.E., Okawa A., Spengler D.M., Guelcher S.A.: Synthesis, characterization of calcium phosphates/polyurethane composites for weight-bearing implants. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 100 (2012) 32-40.
• [15] Adhikari R.: Biodegradable injectable polyurethanes: Synthesis and evaluation for orthopaedic applications. Biomaterials 29 (2008) 3762-3770.
• [16] Atilgan S., Yaman F., Yilmaz U., Görgün B., Ünlü G.: An experimental comparison of the effects of calcium sulphate particles and ß-tricalcium phosphate/hydroxyapatite granules on osteogenesis in internal bone cavities. Biotechnology 21 (2007) 205-210.
• [17] Wirpsza Z.: Poliuretany: chemia, technologia, zastosowanie. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2001.
• [18] Kokubo T., Takadama H.: How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials 27 (2006) 2907-2915.
• [19] Liu J., Ma D., Li Z.: FTIR studies on the compatibility of hard- soft segments for polyurethane-imide copolymers with different soft segments. European Polymer Journal 38 (2002) 661-665.
• [20] Rehman I., Bonfield W.: Characterization of hydroxyapatite and carbonated apatite by photo acoustic FTIR spectroscopy. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 8 (1997) 1-4.
• [21] Sheikh F.A., Kanjwal M.A., Macossay J., Barakat N.A.M., Kim H.Y.: A simple approach for synthesis, characterization and bioactivity of bovine bones to fabricate the polyurethane nanofiber containing hydroxyapatite nanoparticles. eXPRESS Polymer Letters 6 (2012) 41-53.
• [22] Abou Neel E.A., S.V., Revell P.A., Young A.M., Viscoelastic and biological performance of low-modulus, reactive calcium phosphate- filled, degradable, polymeric bone adhesives. Acta Biomaterialia, 2012. 8(1): p. 313-320.
• [23] de Oliveira A.A.R., d.C.S.M., de Fatima Leite M., Orefice R.L., de Magalhaes Pereira M., Development of biodegradable polyurethane and bioactive glass nanoparticles scaffolds for bone tissue engineering applications. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 100, 5 (2012) 1387-1396.
• [24] Turhani D., Weißenböck M., Watzinger E., Yerit K., Cvikl B., Ewers R., Thurnher D.: In vitro study of adherent mandibular osteoblast-like cells on carrier materials. Journal of Oral & Maxillofacial Surgery 34 (2005) 543-550.
• [25] Hutmacher D. W.: Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials 21 (2000) 2529-2543.
• [26] Zhang J., Doll B.A., Beckman E.J., Hollinger J.O.: A biodegradable polyurethane-ascorbic acid scaffold for bone tissue engineering. Journal of Biomedical Materials Research Part A 67 (2003) 389-400.
• [27] Bonzani I.C.: Synthesis of two-component injectable polyurethanes for bone tissue engineering. Biomaterials 28 (2007) 423-433.
• [28] Yamadi S., Kobayashi S.: Effects of strain rate on the mechanical properties of tricalcium phosphate/poly(L: -lactide) composites. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 20 (2009) 67-74.
• [29] Middleton J.C., Tipton A.J.: Synthetic biodegradable polymers as orthopedic devices. Biomaterials 21 (2000) 2335-2346.
• [30] Yong B.K., GeunHyung K.: Functionally graded PCL/ ß-TCP biocomposites in a multilayered structure for bone tissue regeneration. Applied Physics A: Materials Science & Processing 108 (2012) 949-959.
• [31] Gorna K., Gogolewski S.: Biodegradable polyurethanes for implants. II. In vitro degradation and calcification of materials from poly(ε-caprolactone)-poly(ethylene oxide) diols and various chain extenders. Journal of Biomedical Materials Research 60 (2002) 592-606.
• [32] Wu C., Xiao Y.: Evaluation of the in vitro Bioactivity of Bioceramics. Bone and Tissue Regeneration Insights 2 (2009) 25-29.
• [33] Szczepańczyk P., Pietryga K., Pielichowska K., Chłopek J.: Synthesis and characterization of injectable bioresorbable ß-TCP/ PUR foams. Modern polymeric materials for environmental applications : 5th International Seminar Kraków, 15-17 May 2013 including COST MP1105 workshop „Nanoparticles for flame retardancy: challenges and risks" 5 (2013) 339-346.

Uwagi

PL

Praca finansowana w ramach badań statutowych 11.11.160.256 Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.