Photocurable Polyurethane Elastomers

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2015-06-10
Department
Major/Subject
Biologinen kemia ja biomateriaalit
Mcode
KE3005
Degree programme
BIO - Bioinformaatioteknologia
Language
en
Pages
109 + 23
Series
Abstract
The aim of this thesis was to study properties of photocurable elastomers and their prospective usage as artificial vascular grafts and tracheal transplants. In the literature part of this thesis different elastomers suitable for tissue engineering were reviewed. The correlation between properties of certain materials and their potential applications were investigated. Additionally, different fabrication methods for polymer- based tissue engineered replacements were examined. The experimental part of this thesis consisted of an experiment series, where influence of adding castor oil into polyurethane soft segment was investigated. Four polyurethanes were synthesized with different castor oil content (0.0, 5.6, 12.4, and 20.9 wt-%). The synthesized polyurethane precursors were photocross-linked by stereolithography for three-dimensional (3D) objects. Both linear and branched blood vessel models with high accuracy were obtained by stereolithography. In example linear model wall thickness was 0.3 mm and inner diameter 2.4 mm. The produced resin and photocured objects were characterized by several methods. All synthesized polyurethanes expressed elastic behavior in tensile and creep recovery tests. Stress at break was observed to increase and elongation at break to decrease as castor oil content was increased. Thus Young’s modulus increased and material became more rigid. Young’s modulus varied between 2.4 – 6.6 MPa, tensile strengths between 3.5 – 6.7 MPa, and elongation at break between 152 – 201 %. Strain recovery was over 80 % of all polyurethanes. Additional experiments were performed to obtain porous 3D objects through blending non-degradable polyurethane with two different biodegradable poly(ester anhydride)s. Cross-linked samples were prepared porous through hydrolytic degradation of anhydride bonds in buffer solution. With first PCL-based ester-anhydride the porous structure was achieved in 9 weeks with pore sizes of approximately 5 – 10 µm, and with another PEG-PCL- based ester-anhydride in 10 days with pore size of approximately 20 – 30 µm.

Työn tarkoituksena oli tutkia valosilloitettavien elastomeerien ominaisuuksia ja käytettävyyttä verisuoni‐ ja henkitorvirakenteina. Työn kirjallisessa osassa selvitettiin mitä elastomeerejä voidaan käyttää kudosteknologiassa, ja miksi tietty materiaali sopii tiettyyn sovellukseen. Lisäksi käytiin läpi polymeeripohjaisten rakenteiden valmistusmenetelmiä. Työn kokeellinen osa koostui koesarjasta, jossa tutkittiin risiiniöljyn lisäämistä polyuretaanin pehmeän segmentin alueelle. Työssä syntetisoitiin neljä reseptiä polyuretaaneja eri risiiniöljypitoisuuksilla (0,0, 5,6, 12,4 ja 20,9 m‐%). Syntetisoidut polyuretaanit valosilloitettiin stereolitografialla kolmiulotteisiksi (3D) rakenteiksi. Stereolitografialla onnistuttiin tuottamaan esimerkiksi hyvin yksityiskohtaisia lineaarisia sekä haaroittuneita verisuonirakenteita. Lineaarisessa esimerkkimallissa seinän paksuus oli 0,3 mm ja sisähalkaisija 2,4 mm. Syntetisoitua hartsia sekä valosilloitettuja kappaleita karakterisoitiin monilla eri menetelmillä. Kaikki polyuretaanit osoittivat elastisia piirteitä lujuus‐ ja virumistesteissä. Murtolujuus kasvoi ja murtovenymä pieneni risiiniöljypitoisuuden kasvaessa. Youngin moduuli siis kasvoi, eli materiaalista tuli jäykempää. Youngin moduuli vaihteli välillä 2,4 – 6,6 MPa, murtolujuus välillä 3,5 – 6,7 MPa ja murtovenymä välillä 152 – 201 %. Virumistesteissä kaikki polyuretaaninäytteet palautuivat venymästä yli 80 % alkuperäiseen pituuteen nähden. Huokoisien 3D‐ kappaleiden tuottamiseksi hajoamatonta polyuretaania yhdistettiin kahden eri biohajoavan polyesterianhydridin kanssa seokseksi. Silloitetut kappaleet huokoistettiin puskuriliuoksessa anhydridisidosten hajotessa hydrolyysissä. Ensimmäisellä polyesterianhydridillä saatiin 9 viikossa aikaan 5 – 10 μm kokoisia huokosia, ja toisella 10 päivässä 20 – 30 μm kokoisia huokosia.
Description
Supervisor
Seppälä, Jukka
Thesis advisor
Malin, Minna
Le Hoang, Sinh
Keywords
elastomer, photocurable polyurethane, castor oil, stereolithography, blood vessel, trachea
Other note
Citation