Vliv složení polysacharidů na mechanické vlastnosti 3D tištěného fosfátového kostního cementu

Abstract

Tato práce se zabývá optimalizací cementové pasty na bázi fosforečnanu vápenatého pro extruzní 3D tisk pro použití v tkáňovém inženýrství kostí. Cementová pasta se skládala z termo-gelujícího kopolymeru, chitosanu, plastifikátoru a -trikalciumfosfátu. Dalším cílem bylo vy-hodnocení vlivu typu nebo koncentrace chitosanu a plastifikátoru společně s vlivem dvou různých podmínek vytvrzování (ve vlhkém prostředí nebo ponořením ve vodě) na výsledné vlastnosti připravených scaffoldů. Žádný plastifikátor neměl negativní vliv na mechanické vlastnosti. Co se týče typu a koncentrace chitosanu, vysokomolekulární chitosan projevil zvýšenou pevnost v tlaku než jeho nízkomolekulární protějšek. Důvodem je pravděpodobně lepší adheze krystalů kalcium deficientní hydroxyapatit k částicím chitosanu, jak bylo zjištěno pomocí snímků z rastrovací elektronové mikroskopie. Ani chitosan, ani plastifikátor významně neovlivnili konverzi -trikalciumfosfátu na kalcium deficientní hydroxyapatit. Vytvrzování ve vlhkém prostředí se ukázalo jako vhodnější metoda díky své jednoduchosti, protože vzorky vytvrzené ve vodě měly špatné mechanické vlastnosti vlivem nasáklé vody a částečně rozpuštěním vzorku. Navíc snímky z rastrovací elektronové mikroskopie ukázaly, že degradace kopolymeru je urychlena vytvrzováním ve vodě a povrch filament byl vice porézní a poškozený. Jak se očekávalo, konverze byla mírně vyšší pro vzorky vytvrzené ve vodě.

This thesis deals with optimizing calcium phosphate cement paste for the application in the extrusion 3D printing of scaffolds for bone tissue engineering. The cement paste was composed of thermogelling copolymer, chitosan, plasticizer and -tricalcium phosphate. Furthermore, the goal was to evaluate the effect of chitosan and plasticizer type and their concentration with the effect of two different setting conditions (in a humid environment or submerged in water) on the final properties of fabricated scaffolds. No plasticizer had an adverse effect on the mechanical properties. Regarding chitosan type and concentration, high molecular weight chitosan showed enhanced compressive strength than its low molecular weight counterpart even with higher concentrations. The reason is probably due to better adhesion of calcium-deficient hydroxyapatite crystals to the chitosan particles, as was found by images from scanning electron microscopy. Neither chitosan nor plasticizer significantly affected the conversion of -tricalcium phosphate to calcium deficient hydroxyapatite. Setting in a humid environment proved to be a more suitable method thanks to its simplicity, as the samples set in the water had poor mechanical properties due to wetness and partly sample dissolution. Moreover, images from scanning electron microscopy showed that the copolymer degradation is accelerated by setting in water, and the surface of filaments was more porous and damaged. As expected, the conversion was slightly higher for the samples set in water.