Composition and Properties of Biodegradable Composites of a Bioactive Glass Filler and a Single Polymer or a Blend Matrix

Abstract

Biologisten kudosten korvaaminen synteettisillä materiaaleilla vaatii materiaaleilta lukuisia ominaisuuksia, joita yksittäisellä materiaalilla harvoin on. Komposiittien kehittäminen mahdollistaa sellaiset ominaisuusyhdistelmät, jotka täyttävät kunkin sovelluksen tarpeet. Tämä väitöskirja käsittelee biohajoavia komposiitteja, joiden epäjatkuva komponentti on bioaktiivista lasia ja jatkuva komponentti eli matriisi joko yhtä polymeeriä tai polymeeriseosta. Työssä tutkittiin erityisesti komposiitin koostumuksen vaikutuksia sen ominaisuuksiin valmistuksen jälkeen ja hajoamisnopeuteen puskuriliuoksessa.

Työssä tutkitut matriisimateriaalit ovat polylaktidi (PLA), polybutyleenisukkinaatti (PBSu) sekä niiden polymeeriseokset, joista tutkittiin kaksi koostumusta: 75/25 PLA/PBSu ja 50/50 PLA/PBSu. Tutkittuja laseja olivat bioaktiivinen fosfaattilasi (P-BaG), bioaktiivinen silikaattilasi 13-93 (Si-BaG), sekä 13-93-pohjaiset lasit, joissa osa alkuaineista oli korvattu litiumilla (13-93Li), strontiumilla (13-93Sr) tai boorilla (13-93B). Eri komponenttien lisäksi epäjatkuvan komponentin määrä komposiitissa vaihteli 10 ja 50 painoprosentin välillä.

Polymeerien hajoamista polymeeriseosten ja komposiittien valmistuksen aikana tutkittiin mittaamalla niiden moolimassa valmistuksen jälkeen. Si-BaGin huomattiin kiihdyttävän PLA:n hajoamista, mutta P-BaG:lla ei ollut vaikutusta PLA:n hajoamiseen prosessoinnissa. Lisäksi PBSu:ta sisältävät matriisit hajosivat vähemmän komposiittien prosessoinnissa kuin PLA. Polymeeriseosten ja komposiittien mekaaniset ominaisuudet selvitettiin taivutus- ja leikkauskokeilla. Havaitsimme, että PBSu:n osuuden lisääminen polymeeriseoksessa lisää sen sitkeyttä. Komposiittien lujuus oli alhaisempi kuin pelkkien matriisien, ja laski lasipitoisuuden kasvaessa.

Materiaalien hydrolyyttistä hajoamista tutkittiin upottamalla ne joko tris(hydroksimetyyli)aminometaaniin 40 viikoksi tai fosfaattipuskuroituun suolaliuokseen 24 viikoksi. Veden imeytymistä, massahäviötä, mekaanisten ominaisuuksien muutoksia ja mikrorakennetta arvioitiin upotusajan funktiona. Puskuriliuoksissa polymeeriseokset hajosivat nopeammin kuin yksittäiset polymeerit. Lasin lisääminen kiihdytti komposiittien hydrolyyttistä hajoamista, sitä enemmän mitä enemmän lasia oli. Vaikka P-BaG hajosi nopeammin kuin Si-BaG, P-BaG:n hajoaminen komposiiteissa ei kiihdyttänyt matriisin hajoamista kuten Si-BaG. Lisäksi matriisien ja lasien hajoamista erikseen verrattiin niiden hajoamiseen komposiitissa. Bioaktiivisten lasien hajoamismekanismi ei muuttunut komposiiteissa verrattuna lasiin, mutta magnesium- ja kalsiumionien vapautuminen hidastui. Lisäksi yhden polymeerin matriisit hidastivat fosfori-ionien vapautumista, mutta polymeeriseosmatriisit eivät.

Lopuksi komposiittien soluyhteensopivuutta ennustettiin tutkimalla erikseen matriisin ja lasin soluyhteensopivuuksia ihmisen rasvakudoksen stroomasolujen ja uroteelisolujen kanssa. Lisäksi ionien vapautumista verrattiin sekä 13-93:sta yksinään että polymeerimatriisin läpi, ja tutkittiin ionien vapautumista litium-, strontium-, ja boorikorvatuista lasipartikkeleista. Tulosten perusteella ennustettiin ionien vapautumista litium-, strontium-, ja boorikorvatuista laseista komposiiteissa. PBSu:ta sisältävät matriisit ja uutteet 13-93:stä, 13-93Li:sta ja 13-93Sr:sta tukivat rasvakudoksen stroomasolujen elinkykyä, jakautumista ja niiden normaalia muotoa, mutta PLA ei. 13-93B-uute laski rasvakudoksen stroomasolujen elinkykyä ja muutti solujen muotoa. Uroteelisolut osoittivat erinomaista elinkykyä ja jakautumista kaikilla matriisimateriaaleilla, mutta eivät sietäneet laimentamattomia lasiuutteita. Uutteiden laimentaminen lisäsi uroteelisolujen elinkykyä ja jakautumista, ja 13-93Sr -uutteessa uroteelisolujen muoto oli lähinnä niiden normaalia muotoa. Yllä esitettyjen tulosten pohjalta komposiitit, joissa on PBSu:ta sisältävä matriisi ja 13-93Li- tai 13-93Sr- partikkeleita ennustettiin parhaiten yhteensopiviksi rasvakudoksen stroomasolujen kanssa. PLA+13-93Sr-komposiitilla ennustettiin olevan paras soluyhteensopivuus uroteelisolujen kanssa.

PLA:n seostaminen PBSu:n kanssa, lasin koostumus ja määrä vaikuttivat komposiittien ominaisuuksiin prosessoinnin jälkeen, hajoamisnopeuteen puskuriliuoksissa ja soluyhteensopivuuteen. Kalium-, fosfori-, ja pii-ionit vapautuivat esteettömämmin polymeeriseoskomposiiteista verrattuna komposiitteihin, joiden matriisi oli yhtä polymeeriä. Lisäksi polymeeriseosmatriisi ei vaikuttanut komposiitin lujuuden säilymiseen hydrolyysissä. Lasin koostumus vaikutti komposiitin lujuuteen ja matriisin prosessoinnin jälkeiseen moolimassaan. Matriisin hajoamisnopeus hydrolyysissä riippui pitkälti siitä, paljonko lasi lisäsi komposiitin veden imeytymistä. P-BaG-komposiitit imivät vähemmän vettä hydrolyysissä, vaikka P-BaG oli lähes hajonnut 20 viikon jälkeen. Materiaalien soluyhteensopivuus vaihteli solutyyppien välillä, ja tulosten perusteella ennustettiin rasvakudoksen stroomasoluille ja uroteelisoluille sopivat komposiitit.

Replacing biological tissues requires materials with many properties, and a single material can rarely meet all the characteristics needed for a given application. Designing composites allows the creation of property combinations, enabling tailoring of the final material properties to meet the requirements of the foreseen application. This thesis explored biodegradable composites with a single polymer or a polymer blend matrix and bioactive glass (BaG) filler. Further, the influence of the composites’ composition on their initial properties and degradation was studied.

In this thesis, the matrices explored are polylactide (PLA), poly(butylene succinate) (PBSu) and their blends. Two ratios were studied for the blends: 75/25 PLA/PBSu and 50/50 PLA/PBSu. The studied fillers were a silicate BaG 13-93 (also denoted as Si-BaG), lithium, strontium, and boron-substituted 13-93 (13-93Li, 13- 93Sr and 13-93B, respectively) and a phosphate glass (P-BaG). In addition, the glass content in the composites varied between 10 and 50 wt%.

The degradation of the polymers during the processing of the blends and composites was assessed by measuring their molecular weight after processing. Si- BaG accelerated the molecular weight loss of PLA during processing, while P-BaG did not. In addition, the composites containing PBSu were less affected by Si-BaG during processing. The initial mechanical properties of the blends and composites were assessed by bending and shear testing. It was demonstrated that increasing the PBSu ratio increases the ductility of the materials. However, when the polymers were compounded with BaGs, their mechanical properties decreased, and they became more brittle, with higher filler loading causing further decreases.

Then, the hydrolytic degradation of the materials was studied either in tris(hydroxymethyl)aminomethane solution for 40 weeks or in phosphate-buffered saline for 24 weeks. Water absorption, mass loss, and changes in mechanical properties and microstructure were studied as a function of immersion time. While immersed in the buffer solution, the blends degraded faster than single polymers. Introducing BaG and increasing its content accelerated the hydrolytic degradation of the composites. However, despite the faster dissolution of the P-BaG particles, P-BaG dissolution did not accelerate the polymer degradation as much as Si-BaG. Furthermore, the degradation of the polymer matrix and the dissolution of the glass filler as such and in the composites were assessed. The dissolution mechanism of the BaGs was not affected by compounding. Still, the release of magnesium and calcium ions was found to be slowed down by the polymer matrices. In addition, single polymer matrices hindered the release of phosphorus ions but not the blend matrices.

Finally, the matrix and filler's cytocompatibility were evaluated separately using human adipose stromal cells (hASC) and human urothelial cells (hUC) to predict the behaviour of the composites with cells. In addition, the ion release results from the BaG particles alone and 13-93 in the composites were used to predict the ion release from the Li-, Sr- and B- substituted 13-93 composites. The PBSu-containing matrices, 13-93, 13-93Li and 13-93Sr extracts supported the viability and proliferation of hASCs, while PLA did not, and 13-93B reduced the hASC viability and changed their morphology. hUCs exhibited excellent viability and proliferation on all the matrices studied but did not tolerate the undiluted BaG extracts. Diluting the extracts increased the viability and proliferation of hUCs, and the hUCs cultured in 13-93Sr extract showed the most normal morphology. Combining the results mentioned above, the composites with a PBSu-containing matrix filled with 13-93Li or 13-93Sr particles were predicted to be the most beneficial for hASCs. The PLA+13-93Sr composite was predicted to have the best cytocompatibility with hUCs.

In conclusion, blending, BaG composition and loading affected the composites' initial properties, hydrolytic degradation and cytocompatibility. Composites with PLA/PBSu blend matrix enabled the unhindered release of potassium and phosphorus ions from the BaGs while not affecting the strength retention of the composites. The BaG composition affected the matrix's initial molecular weight and the composites' strength. The degradation rate of the matrix depended greatly on the water absorption induced by the BaG. P-BaG had a smaller effect on water absorption and matrix degradation than Si-BaG, although it was almost dissolved after 20 weeks <i>in vitro</i>. The cytocompatibility of the materials differed by cell type, and suitable composite compositions were predicted for both hASCs and hUCs.