Synthesis of biodegradable photocrosslinkable polymers for stereolithography-based 3D fabrication of tissue engineering scaffolds and hydrogels

Abstract

Stereolithography (SLA) has become popular in 3D fabrication of tissue engineering (TE) scaffolds due to its high resolution, mild building conditions, and fast production times. However, the availability of biodegradable polymers for SLA is very limited. The aim of this thesis was to synthesize new biodegradable, photocrosslinkable polymers for SLA-based scaffold fabrication, and to increase the understanding of how polymer properties and fabrication parameters affect the properties of the resulting TE scaffolds and hydrogels. Star-shaped polycaprolactone (PCL) oligomers were synthesized via ring-opening polymerization and functionalized with methacrylic anhydride to yield photocrosslinkable macromers. The macromers were crosslinked by free radical polymerization using radical-forming photoinitiators. First, a photocrosslinkable, solid PCL macromer was used in SLA by simultaneously heating the macromer to decrease its viscosity. The PCL scaffolds prepared by SLA closely resembled their mathematically defined 3D models.To improve the bioactivity of the scaffolds, a liquid, low-molecular PCL macromer was next combined with bioactive glass (BG) in SLA at room temperature. BG particles were homogeneously distributed within the resulting SLA fabricated scaffolds, increasing their mechanical strength. The formation of calcium phosphate deposits on the scaffold surface in simulated body fluid indicated the in vitro bioactivity of the composite material and increased the cell proliferation on the scaffold surface. To tune the properties of the PCL macromer, a new photocrosslinkable poly(ester amide) was synthesized based on PCL and L-alanine-derived depsipeptide. Copolymerization of PCL with the depsipeptide increased the glass transition temperature and hydrophilicity of the polymer and accelerated its hydrolytic degradation. Also the compressive strength of the SLA fabricated scaffolds increased with depsipeptide content. The new copolymer significantly extended the repertoire of biodegradable polymers suitable for SLA-based scaffold fabrication. Last, a photocrosslinkable poly(ethylene glycol-co-depsipeptide) was synthesized for SLA fabrication of cell-laden hydrogels. The stiffness of the hydrogels increased with increasing crosslinking time while the swelling degree and mass loss decreased. The encapsulated cells showed proliferation in the hydrogels, and tubular hydrogels were successfully fabricated as vascular graft models. Due to its good cell encapsulation capacity and printability, the new polymer was a highly desired addition to the very limited group of biodegradable polymers available for SLA fabrication of cell-laden TE hydrogels.

Stereolitografia (SLA) on valosilloitukseen perustuva 3D-valmistusmenetelmä, joka soveltuu kudostekniikan tukirakenteiden valmistukseen sen korkean resoluution, mietojen olosuhteiden ja lyhyen valmistusajan vuoksi. Väitöstyön tavoite oli uusien biohajoavien valosilloitettavien polymeerien synteesi niin, että ne soveltuvat kudostukirakenteiden SLA-valmistukseen. Lisäksi tavoitteena oli tutkia polymeerien ominaisuuksien ja SLA-valmistusparametrien vaikutusta tukirakennekappaleiden ominaisuuksiin. Työssä syntetisoitiin renkaanavaavalla polymeroinnilla biohajoavia oligomeerejä, jotka saatiin valosilloitettaviksi metakryloimalla oligomeerien pääteryhmät. Näin saadut makromeerit silloitettiin vapaaradikaalipolymeroinnilla valoherkkiä initiaattoreita hyödyntäen. Matemaattisesti mallinnetut kudostukirakenteet valmistettiin SLA:lla matalaviskositeettisistä esipolymeereistä. Kiinteä polykaprolaktoni (PKL) saatiin juoksevaksi lämmittämällä esipolymeeriä SLA:ssa, kun taas matalamman moolimassan PKL oli juokseva huoneenlämmössä. Valmiit 3D-rakenteet mukailivat tarkasti tietokonemallejaan. Kudostukirakenteiden bioaktiivisuutta lisättiin sekoittamalla bioaktiivista lasia PKL-esipolymeeriin. Bioaktiivinen lasi jakautui tasaisesti 3D-valmistetuissa kappaleissa vahvistaen niiden mekaanista lujuutta, ja pinnalla olevat lasipartikkelit säilyivät avoimina ilman peittävää polymeerikerrosta. Kalsiumfosfaatin saostuminen tukirakenteiden pinnalle simuloidussa kudosnesteessä osoitti komposiittimateriaalin bioaktiivisuuden ja lisäsi solujen aktiivisuutta huokoisten tukirakenteiden pinnalla. Valosilloitettavien biohajoavien makromeerien kirjoa laajennettiin kopolymeroimalla valosilloitettava polyesteriamidi käyttäen monomeereinä kaprolaktonia ja L-alaniinista johdettua depsipeptidiä. Depsipeptidi kasvatti PKL-pohjaisen polymeerin lasiutumispistettä ja hydrofiilisyyttä ja nopeutti polymeerin hajoamista. Se myös lisäsi SLA:lla valmistetun huokoisen tukirakenteen lujuutta. Uusi kopolymeeri laajensi näin mahdollisuuksia säätää makromeerin ominaisuuksia kohdesovelluksen vaatimusten mukaisiksi. Lisäksi väitöstyössä syntetisoitiin valosilloitettava hydrofiilinen poly(etyleeniglykoli-ko-depsipeptidi). Sekoittamalla esipolymeeriliuos solususpension kanssa valmistettiin soluja sisältäviä hydrogeelejä SLA:lla. Silloitusajan lisääminen teki hydrogeelistä jäykemmän johtuen polymeeriverkoston tiivistymisestä, jolloin myös geelin laajeneminen ja hajoaminen vedessä väheni. Lisäksi polymeeristä 3D-valmistetttin onnistuneesti putkimainen verisuonimalli. Uusi polymeeri on merkittävä lisä materiaalijoukkoon, joka soveltuu soluja sisältävien biohajoavien hydrogeelien SLA-valmistukseen.