Design and development of mesoporous glass-based biomaterials for bone tissue engineering and drug release systems

Konzeption und Entwicklung von Biomaterialien auf Basis von mesoporösem Glas zum Einsatz im Bereich des Tissue Engineerings von Knochen mit integrierter Wirkstofffreisetzung

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-77707
  • In order to overcome clinical challenges for bone tissue regeneration, current tissue engineering research focuses on developing highly performant biomaterials in terms of multifunctionality, i.e. materials that are capable of stimulating bone regeneration and exhibit drug delivery capabilities as well as sufficient mechanical stability. In the framework of this research topic, the work here presented focuses on the development of multifunctional mesoporous bioactive glasses (mBGs) and on the fabrication of mechanically competent 3D scaffolds from such mBGs. In a first step, three main compositions of mesoporous bioactive glasses, based on the sol-gel process in combination with theIn order to overcome clinical challenges for bone tissue regeneration, current tissue engineering research focuses on developing highly performant biomaterials in terms of multifunctionality, i.e. materials that are capable of stimulating bone regeneration and exhibit drug delivery capabilities as well as sufficient mechanical stability. In the framework of this research topic, the work here presented focuses on the development of multifunctional mesoporous bioactive glasses (mBGs) and on the fabrication of mechanically competent 3D scaffolds from such mBGs. In a first step, three main compositions of mesoporous bioactive glasses, based on the sol-gel process in combination with the supramolecular chemistry of surfactants, were developed: (in mol%) 60%SiO2 30%CaO 5%P2O5 5%Na2O (MBG); 78%SiO2 20%CaO 1.2%P2O5 0.4%SrO 0.4%CuO (C) and 78%SiO2 20%CaO 1.2%P2O5 0.8%CoO (D). Two of these compositions incorporated known osteogenic and angiogenic metallic ions (Sr2+ and Cu2+ on the one hand and Co2+ on the other hand), whose aim was to increase the biological activity of the glasses. Highly ordered mesoporosity was achieved for compositions C and D, mainly confirmed by TEM and SAXRD. Their specific surface area was evaluated by BET and it was 254 m2/g for composition C and 346 m2/g for composition D, with average pore size of 3 nm and 3.6 nm respectively. However, a disordered mesoporous structure was observed for composition MBG and the specific surface area only reached 150 m2/g with average pore size of 7 nm. These new compositions exhibited fast bioactive behaviour in simulated body fluid by developing in their surface an apatite-like layer in less than 24 hours, characterised by FTIR spectroscopy and SEM analysis. The drug uptake and release capabilities of these compositions were tested and measured by UV-Vis for different active molecules (tetracycline, ibuprofen and resveratrol), in comparison to the base sol-gel composition SG (specific surface area by BET: 66 m²/g) and the well-known MCM-41 (specific surface area by BET: 1159 m²/g). In addition, indirect cell tests, performed with ST-2 cell line, revealed no cytotoxic effects after 24 h incubation. Furthermore, VEGF release over 24 hours was measured and it was found that VEGF release was enhanced in the presence of therapeutic ions (Sr2+, Cu2+ and Co2+). In a second step, highly porous (>90% porosity) 3D scaffolds with interconnected porosity were successfully produced by 3 variations of the foam replica technique (direct sol-gel, slurry and by electrophoretic deposition) and 3D printing. In order to increase the scaffolds compressive strength, a polymer infiltration approach was used. The compression strength of scaffolds was significantly increased, from 0.02 to 2.6 MPa, by applying a gelatin coating, without compromising the open and interconnected porosity of the scaffolds. Results obtained in this thesis suggest that mainly compositions C and D are promising mesoporous bioactive glasses to produce multifunctional biomaterials for bone regeneration applications, as they present synergistic effects by the release of both active molecules and therapeutic ions while being able to be processed as powders and 3D scaffolds.show moreshow less
  • Um die klinischen Herausforderungen für die Regeneration von Knochengeweben zu überwinden, setzt die aktuelle Forschung im Bereich des Tissue Engineerings auf die Entwicklung von leistungsstarken Biomaterialien. Das heisst, man sucht multifunktionale Werkstoffe, die die Knochenregeneration stimulieren, zur gezielten Arzneimittelabgabe fähig sind sowie gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen um temporär die Funktion des Knochens zu ersetzen. Im Rahmen dieses globalen Forschungsziels konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Entwicklung von mesoporösen bioaktiven Gläsern (mBGs) und auf die Herstellung von mechanisch stabilen, dreidimensionalen Gerüststruktur ausUm die klinischen Herausforderungen für die Regeneration von Knochengeweben zu überwinden, setzt die aktuelle Forschung im Bereich des Tissue Engineerings auf die Entwicklung von leistungsstarken Biomaterialien. Das heisst, man sucht multifunktionale Werkstoffe, die die Knochenregeneration stimulieren, zur gezielten Arzneimittelabgabe fähig sind sowie gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen um temporär die Funktion des Knochens zu ersetzen. Im Rahmen dieses globalen Forschungsziels konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Entwicklung von mesoporösen bioaktiven Gläsern (mBGs) und auf die Herstellung von mechanisch stabilen, dreidimensionalen Gerüststruktur aus solchen mBGs. In einem ersten Schritt wurden drei Hauptzusammensetzungen mesoporöser bioaktiver Gläsern auf der Basis des Sol-Gel-Verfahrens in Kombination mit der Chemie oberflächenaktiver Stoffe entwickelt: (in mol%) 60%SiO2 30%CaO 5%P2O5 5%Na2O (MBG); 78%SiO2 20%CaO 1.2%P2O5 0.4%SrO 0.4%CuO (C) and 78%SiO2 20%CaO 1.2%P2O5 0.8%CoO (D). Zwei dieser Zusammensetzungen beinhalten bekannte osteogenen und angiogene Metallionen (Sr2+ and Cu2+ einerseits und Co2+ auf der anderen Seite), mit dem Ziel, die biologische Aktivität der Gläser zu erhöhen. Stark geordnete Mesoporosität wurde für die Zusammensetzungen C und D erreicht, was vor allem durch TEM und SAXRD bestätigt werden konnte. Die spezifischen Oberflächen der Biogläser wurde nach BET ausgewertet und es wurden 254 m2/g für die Zusammensetzung C und 346 m2/g für die Zusammensetzung D bei einer durchschnittlichen Porengröße bzw. von 3 nm und 3.6 nm gemessen. Für die für Zusammensetzung MBG allerdings wurde eine ungeordnete mesoporöse Struktur beobachtet, und die spezifische Oberfläche erreicht lediglich 150 m2/g bei einer durchschnittlichen Porengröße von 7 nm. Die untersuchten Materialzusammensetzungen zeigten bioaktives Verhalten bereits nach kurzer Zeit in simulierter Körperflüssigkeit. Nach weniger als 24 Stunden konnte die Entwicklung einer apatitartigen Schicht in ihrer Oberfläche durch FTIR-Spektroskopie und SEM-Analyse nachgewiesen werden. Die Fähigkeit zur Arzneimittelaufnahme und -abgabe dieser Zusammensetzungen wurden für verschiedene aktive Moleküle (Tetracyclin, Ibuprofen und Resveratrol) im Vergleich zur Basis Sol-Gel-Zusammensetzung SG (spezifische Oberfläche nach BET: 66 m2/g) und der bekannten MCM-41 Zusammensetzung (spezifische Oberfläche nach BET: 1159 m2/g) getestet und quantitativ durch UV-Vis Spektroskopie vermessen. Darüber hinaus ergaben indirekte Zelltests, durchgeführt mit der ST-2-Zelllinie, keine zytotoxischen Effekte nach 24 h Inkubation. Die Freisetzung von VEGF über 24 Stunden wurde gemessen und es wurde festgestellt, dass die Abgabe von VEGF in Gegenwart von therapeutischen Ionen verstärkt wurde (Sr2+, Cu2+ und Co2+). In einem zweiten Schritt wurden hochporöse (> 90% Porosität) offene 3D-Gerüststrukturen durch 3 Varianten der Schaum-Replikatechnik (direktes Sol-Gel-Verfahren, Aufschlämmungsverfahren und durch elektrophoretische Abscheidung) sowie additive Fertigungsverfahren erfolgreich hergestellt. Um die Druckfestigkeit der Gerüststrukturen Druckfestigkeit zu verbessern wurde ein Ansatz der auf Basis der Infiltration von Polymeren verwendet. Die Kompressionsfestigkeit der Strukturen konnte durch ein Beschichtungsverfahren mit Gelatinlösung deutlich erhöht werden, von 0.02 auf bis zu 2.6 MPa, ohne dass die offene und miteinander verbundene Porosität der Gerüste beeinträchtigt wurde. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass vor allem die Zusammensetzungen C und D sehr vielversprechende mesoporöse bioaktive Gläser darstellen um multifunktionale Biomaterialien für Anwendungen im Bereich Knochenregeneration herzustellen. Sie bieten synergetische Effekte durch die Freisetzung von aktiven Molekülen und therapeutischen Ionen und ermöglichen ein breiten Anwendungsspektrum, da diese in Pulverform sowie als dreidimensionale Gerüststruktur verarbeitet werden können.show moreshow less

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Metadaten
Author:Anahí Philippart
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-77707
Referee:Aldo R. Boccaccini
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2016
Date of online publication (Embargo Date):2016/10/30
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2016/06/07
Release Date:2016/11/15
SWD-Keyword:glass; mesoporous; bioactive; drug release; scaffolds; bone regeneration
Length/size:1-169
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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