Bioinspired nanocomposites - materials for the regeneration and tissue engineering of bone

Abstract

Nanokomposite bestehend aus Poly(3-Hydroxybutyrat) (PHB) und Poly(Hydroxybutyrat-co-hydroxyvalerat) (PHBHV) als Matrixpolymer sowie Hydroxylapatit (HA) als biokeramischem Füllstoff wurden auf ihre mögliche Eignung als Knochenersatzmaterial untersucht. Nanostrukturierte Werkstoffe in Form kompakter Nanokomposite, dreidimensionaler poröser Materialien und elektrogesponnener Vliese wurden hergestellt, wobei die Produkte teilweise für lasttragende Anwendungen geeignet sind. Isotherme Kristallisation bei höheren Temperaturen führt im Falle des reinen PHB zur Ausbildung sehr großer Sphärolithe, welche eine ausgeprägte Neigung zur Bildung intra- und intersphärolithischer Risse zeigen. Durch Beigabe von nanopartikulärem HA wird die Sphärolithgröße reduziert. Im kompakten Nanokomposit kann bis zu einem Füllgrad von 30% eine gute und gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel in der Polymermatrix nachgewiesen werden. Das spröde Materialverhalten des reinen PHB kann durch Optimierung des interpartikulären Abstandes zugeschlagener Nanopartikel in ein semiduktiles Materialverhalten transformiert werden. Durch den Einsatz nadelförmiger HA-Nanopartikel werden die mikromechanischen Mechanismen modifiziert, wodurch generell eine Erhöhung der Zähigkeit möglich wird. Versuche zur Zellbesiedlung mit primären Osteoblasten zeigen, dass die Nanokomposite als Substrate für das Zellwachstum weit besser geeignet sind als das reine Polymer (PHB). Immunohistologische Untersuchungen belegen die erhöhte Expression von Kollagen Typ I. Unter Verwendung verschiedener Templates können poröse Strukturen im Größenbereich von 250 µm bis 350 µm erzeugt werden, wogegen durch Gefriertrocknungs- und Auslaugungsverfahren kleinere Porengrößen von 46 µm bis 70 µm erzeugt werden können. Durch Elektrospinnen wurden Nanokomposit-Nanofasern mit Faserdurchmessern zwischen 250 nm und 400 nm hergestellt, wobei die HA-Nanopartikel gleichmäßig in der Faser dispergiert und teilweise in Faserrichtung orientiert vorliegen. Durch eine parallele Anordnung der Kollektor-Elektroden kann eine Ausrichtung der Nanofasern in einer Vorzugsrichtung erreicht werden. Die vorliegende Arbeit bietet ein Baukastensystem für verschiedene Produkte zum Knochenersatz und für das tissue engineering des Knochens. Die vorgeschlagenen Verfahren können für eine Reihe anderer Polymer-Füllstoff-Kombinationen modifiziert und zur Herstellung biokompatibler, resorbierbarer Nanokomposite verwendet werden.