Biomimetic calcium phosphate modification of 3D-printed tissue engineering scaffolds using reactive star-shaped macromers

• Main Author: Behets, Jean Nicolas
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2018
• Subjects: Tissue engineering; Calcium phosphate; ddc:610
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/17172; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-171728; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-171728; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/17172/Behets_Jean_Nicolas_Dissertation.pdf

Biomimetic calcium phosphate (CaP) coatings imitate the trabecular bones surface structure and have shown to promote osteogenic differentiation in multipotent cells. The work of this thesis focused on the problem of former CaP coatings cracking and flaking off when being put on a bendable core structure like a 3D-printed poly (ε-caprolactone) (PCL) scaffold. The aim was to provide a chemical linkage between PCL and CaP using a star-shaped polymer (sPEG) and a phosphonate, 2-aminoethylphosphonic acid (2-AEP). First, a published CaP coating protocol was revised and investigated in terms of etching parameters for the PCL scaffold. Results presented reproducible thick coatings for all groups. The protocol was then broadened to include subsequent scaffold incubation in sPEG and 2-AEP solutions. Homogenous CaP coatings of decreased thickness presented themselves, proving feasibility. However, as is often found with physical CaP coating depositions, there were some irregular outcomes even during the same experimental group. A lower consumption of the chemical 2-AEP, for economic reasons, meant that the protocol was altered to simultaneously incubate scaffolds with sPEG and 2-AEP including preceding calculations for molar ratios. For ratios 1:1, 1:2 and 1:3, again a homogenous CaP coating was produced on most of the samples, although reproducibility issues maintained. However, the mechanical bending to induce surface cracking showed that the CaP did strongly bond to the sPEG/2-AEP, while the control CaP coating flaked off the surface in large pieces. This research demonstrates that chemically-bound CaP coatings resist flaking off the fiber surface. Future investigations should focus on the mechanisms of CaP crystallization, to improve reproducibility. === Biomimetische Calciumphosphat (CaP) - Beschichtungen imitieren die oberflächliche Struktur des spongiösen Knochens und wirkten sich bereits begünstigend auf die osteogene Differenzierung von multipotenten Zellen aus. Diese Dissertation konzentriert sich auf das Problem des Reißens und Abplatzens bisheriger CaP-Beschichtungen, wenn diese sich auf einem biegsamen Kern-Gerüst, wie einem 3D-gedruckten Polycaprolacton (PCL)-Konstrukt befanden. Das Ziel war, durch den Gebrauch eines sternförmigen Polymers (sPEG) und eines Phosphonates, 2-Aminoethylphosphonsäure (2-AEP), eine chemische Verknüpfung zwischen PCL und CaP herzustellen. Zuerst wurde ein bereits publiziertes CaP-Beschichtungs-Protokoll nachgestellt und verschiedene Ätzungsparameter untersucht. Die Ergebnisse zeigten reproduzierbare, dicke Beschichtungen in allen Gruppen. Danach wurde dieses Protokoll erweitert, indem es nun nacheinander gestellte Inkubationen in sPEG- und 2-AEP-Lösungen mit einbezog. Dünnere, homogene Beschichtungen waren das Ergebnis, was beweist, dass die Hypothese realisierbar ist. Jedoch zeigten die Ergebnisse nicht reproduzierbare Resultate. Desweiteren, war der 2-AEP Verbrauch nicht wirtschaftlich. Daher wurde das Protokoll weiterentwickelt, indem die Proben, nach vorherigen Berechnungen zu den molaren Verhältnissen, simultan mit sPEG und 2-AEP inkubiert wurden. Für die Verhältnisse 1:1, 1:2 und 1:3 wurden wiederum homogene CaP-Beschichtungen produziert. Mit der Absicht Reproduzierbarkeit zu erzielen, wurden weitere Parameter untersucht. Dies blieb jedoch erfolglos. Zuletzt wurde ein mechanischer Test durchgeführt, welcher eine verbesserte CaP-Adhäsion zu den PCL-Fasern nahelegt, wenn diese zuvor mit sPEG und 2-AEP inkubiert wurden. Zukünftige Untersuchungen werden jedoch von Nöten sein, um Daten zur Oberflächenanalyse und von weiteren mechanischen Tests bereitzustellen und um das Protokoll in Bezug auf die Reproduzierbarkeit zu verbessern.