Synthesis and characterization of “Clickable” triazine-trione based thermosets and composites via Thiol-Ene and Thiol-Yne Photochemistry

QC 20240506

Embargo godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post 2024-05-05

Abstract

Triazine trion (TATO)-baserade tiolen- och tiolyn "klick" (TEC och TYC) Triazine-trione (TATO)-baserade tiol-ene och tiol-yne (TEC och TYC) termoplaster och hydroxiapatit (HA) kompositer kan potentiellt användas som implantat för benfrakturfixering, ett område som för närvarande domineras av rigida metallplattor och skruvar. TATO-kompositer uppvisar god böjmodul och styrka samt utmärkt biokompatibilitet. Som injicerbara implantat är de väl anpassade till kirurgers behov av mer individuellt anpassade lösningar för att behandla benfrakturer. Trots lovande egenskaper bör framtida implantat vara nedbrytbara efter fullständig benläkning, vilket dagens TATO-kompositer saknar. Denna avhandling fokuserar på att expandera familjen av TATO-termoplaster och kompositer för att skapa framtida biomaterial som är lämpliga för regenerering av benvävnad.

Två olika tillvägagångssätt användes i denna avhandling, nämligen formuleringen av termoplaster och kompositer baserade på nya TATO-monomerer och inkludering av polyesterbaserade dendrimerer som starkt förgrenade tillsatsämnen i TATO-HA-systemen. Tanken bakom båda tillvägagångssätten var att inkludera hydrolyserbara kemiska bindningar, antingen från de nya TATO-monomererna eller dendrimererna, för att både öka nedbrytningen och påverka de mekaniska egenskaperna hos materialen. Potentiella kliniska användningsområden av dessa system undersöktes genom utvärdering av deras mekaniska, biokompatibilitets- och nedbrytningsegenskaper.

I det första tillvägagångssättet syntetiserades TATO-baserade alken- och alkynmonomerer, som innehöll antingen ester- eller amidbindningar, via den robusta kemiska esterifieringsreaktionen FPE. De nya triester-TATO-monomererna (TESTATO), kommersiellt tillgängliga triester-TATO-tiol (TEMPIC) och hydroxiapatit (HA) fyllnadsmedel formulerades och härdades fotokemiskt via TEC- och TYC-kemi till tvärbundna termoplaster och kompositer innehållande hydrolyserbara estergrupper. Till skillnad från de traditionellt styva och starka TATO-baserade kompositerna resulterade introduktionen av estergrupper i mjuka material med ökad flexibilitet. Cytotoxicitetstestning på de nya kompositerna var lovande då dessa material inte påverkade cellviabiliteten negativt. Potentiella tillämpningsområden för TESTATO-baserade kompositerna utvärderades, och prototyper kunde framgångsrikt framställas i form av flexibla ringar, stavar, rör och tunna filmer (Artikel I). Dessa mjuka och flexibla kompositer var inte lämpliga för stabilisering av frakturer; dock undersöktes de för deras användning som material för vävnadsregenerativa material (Artikel III) och som mjukabeläggningar av metallimplantat (Artikel IV). I Artikel III utvärderades potentialen av TESTATO-baserade termoplaster som vävnadsregenerativa biomaterial, inklusive mekanisk testning, ytanalys, enzymatisk nedbrytningstestning och avancerade biokompatibilitetsstudier med relevanta stamceller (BMSCs). Resultaten påvisade att dessa material har matchande egenskaper jämfört med medicinskt klassificerade PCL, särskilt vad gäller biokompatibilitet och flexibilitet. En fördel med TATO-systemen är att de är viskösa vätskor kan härdas på plats med hjälp av fotokemi till önskad form. Diskar, tunna filmer och 3D-utskrivna objekt kunde framställas med hög precision baserat på TESTATO-baserade termoplaster. I Artikel IV utvärderades ytterligare TESTATO-baserade HA-kompositer som flexibla beläggningar på metallimplantat. Inledande studier visade att dessa TATO-HA-kompositbelagda metallplattor var hydrofila och kunde motstå böjningsförskjutningar på 2 mm, under både torra och våta förhållanden, vilket är fördelaktigt för potentiella framtida in vivo-studier. I Artikel II adderades starkt förgrenade allylfunktionella polyesterdendrimerer av generation 1 och 3 i mekaniskt styva TATO-HA-kompositer. Dendrimerer med upp till 5 viktprocent inkorporerades kemiskt via TEC-fotokemi. Tillsatsen av dendrimererna sänkte avsevärt viskositeten på formuleringarna men upprätthöll goda mekaniska egenskaper hos kompositerna, både under både torra och våta förhållanden.

Båda tillvägagångssätten syftade till att introducera hydrolyserbara länkar i de TATO-baserade systemen. Inkluderingen av G1-dendrimeren förbättrade avsevärt nedbrytningen medan den TESTATO-alkenbaserade kompositen visade den bästa hydrolytiska nedbrytningen. Dock var förbättringarna av nedbrytningskinetiken mer blygsamma än förväntat, vilket visar att ytterligare arbete, såsom att använda fyllmedel som är mer nedbrytbara än HA, kommer att krävas i framtiden.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346065