Einfluss von Crosslinkern und Stabilisierungsmethoden auf poröse Chitosan-Bioglas-Netzwerke

Chitosan-Bioglas Netzwerke können als Biomaterialien in der Medizin z.B. als Knochenimplantat eingesetzt werden. Verbessert werden können deren physiochemischen und mechanischen Eigenschaften durch Crosslinker und verschiedene Stabilisierungsmethoden. In der vorgestellten Studie wurden sechs von diesen miteinander verglichen.

 

 

 

 

 

Biernat, M.; Woźniak, A.; Chraniuk, M.; Panasiuk, M.; Tymowicz-Grzyb, P.; Pagacz, J.; Antosik, A.; Ciołek, L.; Gromadzka, B.; Jaegermann, Z. Effect of Selected Crosslinking and Stabilization Methods on the Properties of Porous Chitosan Composites Dedicated for Medical Applications. Polymers 2023, 15, 2507. https://doi.org/10.3390/polym15112507

AUSWIRKUNG AUSGEWÄHLTER VERNETZUNGS-UND STABILISIERUNGSMETHODEN AUF DIE EIGENSCHAFTEN VON PORÖSEN CHITOSAN-KOMPOSITEN FÜR MEDIZINISCHE ANWENDUNGEN

Die wichtigsten Anforderungen an Biomaterialien sind Biokomptabilität, Bioaktivität und eine einfache Verfügbarkeit. Zudem müssen diese für bestimmte Anwendungen zusätzliche Anforderungen erfüllen z.B. für Knochenimplantate sollten Biomaterialen neben einer guten Bioabbaubarkeit, eine optimale Porengröße und eine ausreichende mechanische Stärke besitzen.

Chitosan (CTS) wird vielseitig im Tissue Engineering und der regenerativen Medizin eingesetzt. Es ist biokompatibel, bioabbaubar und nicht toxisch. Zusätzlich dazu besitzt CTS antimikrobielle und osteokonduktive Eigenschaften. Allerdings leiden Chitosannetzwerke häufig unter einer mangelnden mechanischen Stabilität, weshalb Chitosan oft mit keramischen Partikeln wie Hydroxyapatit und Bioglas (BG) gemischt wird. Das ermöglicht die Produktion von verstärkten und biologisch aktiven Scaffolds.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der mechanischen Stärke und chemischen Beständigkeit ist die Verwendung von polymeren Quervernetzern. Diese ermöglichen zudem den Zugewinn von weiteren Eigenschaften wie Elastizität, Unlöslichkeit und gleichmäßiges Schwellverhalten. In der Literatur werden verschiedene Crosslinking Methoden beschrieben. Beliebte Crosslinker für Chitosan in porösen Strukturen sind z.B. Genipin, Vanillin, L-Aspartatsäure, Natriumalginat, Di-Natrium-β-Glycerolphosphat oder Natrium Tripolyphosphat (TPP). Dabei hat sich gezeigt, dass unterschiedliche Crosslinker bestimmte Strukturen bevorzugen. Beispielsweise ermöglichen Genipin und Vanillin Scaffolds mit höherer mechanischer Stärke und besserer Strukturreproduzierbarkeit. Das Crosslinking insgesamt findet entweder über ionische Bindungen (z.B. TTP und Di-Natrium-β-Glycerolphosphat) oder kovalente Bindungen (Genipin, Vanillin) statt.

In der vorgestellten Studie wurde die Herstellung einen neuen porösen CTS-BG Netzwerkes untersucht unter der Verwendung verschiedener Crosslinker und Stabilisierungsmethoden (Genipin (GEN), Vanillin (VAN), Di-Natrium-β-Glycerolphosphat (BGP), TPP, Ethanol (EtOH), thermische Dehydrierung (TEMP)). Abhängig davon wurden die erhaltenden Netzwerke hinsichtlich der erhaltenden Mikrostruktur und physiochemischen Eigenschaften untersucht. Zudem wurde geschaut, inwiefern der Crosslinker selbst einen Einfluss hat. Verwendet für die Studie wurde ein Chitosan mit einem DDA von 95 und einer Viskosität von 2000 mPas der Heppe Medical Chitosan GmbH (95/2000).

ERGEBNISSE

Tab.1: Vergleich der hergestellten CTS-BG Scaffolds mit unterschiedlichen Crosslinkern und Stabilisierungsmethoden bei Bewertung der Eigenschaften mit Punkten, Thermische Stabilität: 5 Punkte für größte thermische Stabilität, Mikrostruktur: 5 Punkte für den größten Porendurchmesse, Pyknometrische Dichte: 5 Punkte für die geringste pyknometrische Dichte, Spezifische Oberfläche: 5 Punkte für die geringste spezifische Oberfläche, Druckfestigkeit: 5 Punkte für die höchste Druckfestigkeit, Schwellverhalten: 5 Punkte für das geringste Schwellen, Stabilität: 5 Punkte für die höchste Stabilität, Zytotoxizität: 5 Punkte für die geringste Zytotoxizität, Zellproliferation: 5 Punkte für das beste Zellwachstum

Kategorie/Probe	CTS-BG EtOH	CTS-BG TEMP	CTS-BG TPP	CTS-BG VAN	CTS-BG GEN	CTS-BG BGP
Thermische Stabilität	5	4	0	3	2	1
Mikrostruktur	4	3	0	1	5	2
Pyknometrische Dichte	4	2	1	0	5	3
Spezifische Oberfläche	4	0	2	1	5	3
Druckfestigkeit	2	1	5	0	4	3
Schwellverhalten	0	1	4	2	5	3
Stabilität	5	3	4	2	0	1
Zytotoxizität	0	2	4	5	1	3
Zellproliferation	3	1	2	0	5	4
Total	27	17	22	14	32	23

Schlussfolgerungen: In der vorgestellten Studie ermöglichten alle Vernetzungsmethoden die Herstellung stabiler, nicht zytotoxischer poröser Komposits aus CTS und BG. Genipin zeigte im Vergleich die besten Eigenschaften in Bezug auf die physiochemischen und mechanischen Eigenschaften, während in Ethanol stabilisierte Netzwerke sehr quellstabil waren und die Zellproliferation förderten. Die durch thermische Dehydrierung erzeugten Komposite wiesen die spezifischste Oberfläche auf.

Link zum Artikel: Polymers | Free Full-Text | Effect of Selected Crosslinking and Stabilization Methods on the Properties of Porous Chitosan Composites Dedicated for Medical Applications (mdpi.com)