Additive Fertigung von Gerüststrukturen aus Tricalciumphosphat für die Knochenregeneration

Abstract

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersKnochenbrüche, die durch Traumata oder Krankheiten verursacht werden, können die Lebensqualität erheblich beeinträchtigen und bereiten ein zunehmendes Problem in unserer alternden Gesellschaft [1]. Insbesondere bei großen Defekten kann native Knochenreparatur unzureichend sein, und häufig ist ein chirurgischer Eingriff erforderlich. In diesem Fall hat sich das Tissue-Engineering (TE) als Alternative zu herkömmlich verwendeten Gewebetransplantaten etabliert [2]. In TE werden Scaffolds (Gerüststrukturen) mit Zellen und Wachstumsfaktoren kombiniert, um Bildung von neuem Gewebe zu induzieren. Diese Scaffolds benötigen durchgehend verbundene Porosität, um Zellmigration, Nährstoffund Endotoxintransport sowie Bildung neuer Gefäße zu ermöglichen. Gleichzeitig ist eine ausreichende mechanische Stabilität erforderlich, um die Belastbarkeitdes Knochens zu gewährleisten [3], [4]. Ein Ansatz, um Materialien mit hoher Festigkeit und geringer Dichte herzustellen, ist das Modifizieren der Gittertopologie. In der vorliegenden Arbeit werden durch generative Fertigung die Scaffold-architekturen genau eingestellt, wodurch mechanische Eigenschaften sowie biologische Aktivität optimiert werden können. Tricalciumphosphat (TCP) -Gerüste mit vier unterschiedlichen Porengeometrien werden entworfen. Ein geradliniges Zylindergitter, die Kagome Geometrie mit hexagonaler Einheitszelle, die Schwarz primitive Architektur ‚welche zu den triply periodic minimal surfaces (TPMS) zählt, sowie die Shellular Version dieser TPMS Geometrie werden unter Verwendung von Digital Light Processing (DLP) Stereolitographie (SLA) hergestellt. Die Porengrößen aller Geometrien werden in einem Bereich von 400 bis 600 m bei Porositäten von 25, 50 und 75 % festgelegt. Durch Röngtenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS) und Röngtendiffraktion (XRD) kann eine reine -TCP Phase ohne organischen Binderrückständen oder sonstigen Verunreinigungen bestätigt werden. Weiters kann die exakte Geometrie und die homogene Porengrößenverteilung durch mikro-Computer Tomographie (-CT) validiert werden. Nach Einbau experimentel ermittelter Skalierungsfaktoren ist die Zylindergittergeometrie die am besten reproduzierbare Architektur mit < 2 vol.% Fehler in der Porosität und < 6 % relative Abweichung der durchschnittlichen Porengrößen. Diese Struktur hat bei 50 vol.% Porosität auch die höchste Druckfestigkeit von 44.7 MPa, während die Kagome-Architektur eine Stärke von 19.5 MPa aufweist. Porenfreie Proben hingegen haben eine Festigkeit von 235 37 MPa und eine Dichte von 99.50 0.18 % des theoretischen Wertes kann erreicht werden. Nach dem Einlegen in simulierte Körperflüssigkeit (SBF) für 21 Tage zeigen alle untersuchten Scaffolds erhöhte intergranulare Porosität unter dem asterelektronenmikroskop (SEM), aber keine signifikante Änderung in der Masse. Vorläufige Zellkulturstudien mit Maus-Preosteoblasten (MC3T3-E1 Zellen) auf dem Zylindergitter und den Kagome-Scaffolds bestätigen Zellwachstum, und frühe osteogene Marker weisen auf eine Differenzierung zu Osteoblasten hin. Neben diesen vielversprechenden biologischen Eigenschaften sind weiter Voraussetzungen wie die hohe Reinheit des Materials, die ähnlichen mechanischen Eigenschaften zu Knochen und exzellente geometrische Reproduzierbarkeit erfüllt. Somit können sowohl das Zylindergitter, als auch die Kagome-Architekturen zukünftig Anwendung in der regenerativen Medizin als Knochen-TE-Scaffolds finden.Bone fractures caused by trauma or disease can significantly decrease quality of life and pose a growing issue in our aging population. Especially for large defects, native bone repair can be insufficient, and surgical intervention is often required. In that case, bone tissue engineering (TE) has emerged as an alternative to conventionally used tissue grafts. In TE, scaffolds can be combined with cells and growth factors to act as templates for the formation of new tissue. These scaffolds need interconnected porosity to enable cell migration, nutrient and endotoxin transportation, and neo-vascularization. Simultaneously, adequate mechanical integrity is required to replace load bearing purposes of the bone [3], [4]. One approach to attain high strength and low density materials, is by engineering of lattice topology. The present study uses additive manufacturing to precisely define scaffold architectures for tunable mechanical properties and optimized biological activity. Tricalcium phosphate (TCP) scaffolds with four different pore geometries are designed. A rectilinear cylinder grid lattice, a triply periodic minimal surface (TPMS) inspired Schwarz primitive architecture, a shellular type hollow Schwarz primitive scaffold, and finally a Kagome geometry with hexagonal unit cell are created using a digital light processing (DLP) stereolithography (SLA) system. Pore sizes for all geometries are set in a range of 400 - 600 m at porosities of 25, 50, and 75 %. Material characterization by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray diffraction (XRD) confirms presence of the pure -TCP phase without remnants of organic binder or other contaminants. Validation of geometrical accuracy and homogeneous pore distribution throughout the scaffolds is implemented by micro computer tomography (-CT). After incorporation of adequate scaling factors, the cylinder grid geometry is the most reproducible architecture with < 2 % error in porosity and < 6 % deviation of average pore sizes. This structure also has the highest compressive strength of 44.7 MPa at 50 % porosity while the Kagome architecture has 19.5 MPa at the same density. Manufactured bulk specimens reach a density of up to 99.50 0.18 % of crystallographic values and compressive strength of 235 37 MPa. After submersion in simulated body fluid (SBF) for 21 days, all investigated scaffolds show increased intergranular porosity in scanning electron microscopy (SEM) images but no significant change in mass. Preliminary cell culture studies with murine osteoblast-like MC3T3-E1 cells on the cylinder grid and the Kagome scaffolds confirm cell growth and early osteogenic markers indicate differentiation into osteoblasts. With mechanical properties comparable those of bone at similar densities and excellent geometrical reproducibility as well as promising biological attributes, both the cylinder grid and the Kagome architectures could, after further investigation, have future applications in regenerative medicine as bone tissue engineering scaffolds.6