EP1869093A1 - Polymerized molded body - Google Patents

Polymerized molded body

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Publication number
EP1869093A1
EP1869093A1 EP06721201A EP06721201A EP1869093A1 EP 1869093 A1 EP1869093 A1 EP 1869093A1 EP 06721201 A EP06721201 A EP 06721201A EP 06721201 A EP06721201 A EP 06721201A EP 1869093 A1 EP1869093 A1 EP 1869093A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaped body
composition
mpa
composition according
bone
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06721201A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Liska
Monika Schuster
Jürgen STAMPFL
Heinrich Gruber
Franz Varga
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
Publication of EP1869093A1 publication Critical patent/EP1869093A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61L27/14Macromolecular materials
    • A61L27/16Macromolecular materials obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10Esters
    • C08F220/34Esters containing nitrogen, e.g. N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate
    • C08F220/36Esters containing nitrogen, e.g. N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate containing oxygen in addition to the carboxy oxygen, e.g. 2-N-morpholinoethyl (meth)acrylate or 2-isocyanatoethyl (meth)acrylate
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to radiation-curable, biocompatible and bioresorbable compositions and their use in molding processes for the production of polymeric bone replacement support materials.
  • a substance can be introduced, which generates pores during curing.
  • This can be a foaming agent, or even a solid such as sodium chloride or sugar, which can be subsequently dissolved out.
  • WO 98/20893 describes a process in which monomer mixtures are cured in the presence of sugar cubes in a silicone mold and the sugar is then dissolved out with water.
  • the pore size and the Internal geometry can be controlled only within certain statistical limits in such methods and it is thus not possible to generate defined cellular structures.
  • RP rapid prototyping
  • WO 03/002490 A2 claims biomaterials based on poly (propylene fumarate) which are photocrosslinkable with diethyl fumarate. From these mixtures, prefabricated implants can either be prepared by means of molding techniques, or they are used as injectable formulations which are cured in vivo by photopolymerization.
  • the system poly (propylene fumarate) / diethyl fumarate has also been used in a stereolithographic process.
  • the production succeeded a prototype molding, which was not porous.
  • the mechanical stability of the moldings with a modulus of elasticity of about 200 MPa does not meet the mechanical material requirements for bone replacement materials, since a natural bone has a modulus of elasticity of about 2000 MPa.
  • a general disadvantage of these aliphatic polyesters based on glycolic acids or lactones is that the bonds are relatively hydrolysis-labile, i. that they are broken down relatively quickly in an aqueous environment.
  • the degradation proceeds hydrolytically and is not controllable by the autocatalytic nature.
  • the bone substitute disintegrates faster than new bone tissue can be formed.
  • high acid concentrations can occur, creating a milieu, which can lead to uncontrolled cell death and thus to necrotic tissue changes.
  • purely enzymatic degradation would be preferable, i. With a biomaterial that promotes growth of bone cells (osteoconductive), and thus also enzymes are formed by these cells, which degrade the polymer. In this way, the body's cells can effectively control the degradation of the implanted plastic. Polymers which are built up over hydrolytically more stable amide bonds are generally better suited.
  • hydrogels based on gelatin and polyethylene glycol are known as biomaterials obtained by radical copolymerization of Jeffamin-bis-methacrylamides and methacrylamide-substituted gelatin (Zimmermann, J .; Bittner, K., Stark, B .; Mülhaupt, R. Biomaterials; 2002; 23; 2127-2134). These hydrogels are characterized by good cell adhesion and proliferation.
  • Redox initiators or photoinitiators at temperatures below 4O 0 C cured Redox initiators or photoinitiators at temperatures below 4O 0 C cured.
  • WO 1998/55161 A1 describes materials for wound dressings based on crosslinked methacryl-modified gelatin, or copolymers thereof, with methacryl-modified polysaccharides (for example dextran or xanthan).
  • methacryl-modified polysaccharides for example dextran or xanthan.
  • these hydrogel films are soft materials which must have good absorbency for aqueous media, as this is a prerequisite for wound dressings and dressings.
  • biocompatible protein fibers and crosslinked fibers or fabrics for medical applications described which may optionally contain living cells.
  • the fibers are produced on the basis of polymerizable derivatives of proteins, for example elastin, collagen or gelatin or polymerizable derivatives of peptide sequences which are characteristic of these proteins.
  • the fibers are produced by electrospinning, with photochemical crosslinking subsequently taking place via the polymerizable groups with the aid of photoinitiators.
  • water-soluble polymers polyethylene oxide
  • E moduli in the range of 8 to 12 MPa are given for collagen PEO fibers.
  • WO 1991/08242 A1 describes graft copolymers obtained by grafting mixtures of peptides, proteins, vinyl monomers and crosslinkers onto insoluble finished polymers, e.g. Cellophane or polyethylene terephthalate be prepared by gamma radiation. This procedure results in flexible films with a biocompatible surface, from which implants for the blood vessel replacement can be made.
  • the object of the invention is to provide a radiation-curable composition which can be used by means of rapid prototyping for the production of any - especially cellular or porous - moldings with high mechanical strengths, similar to those of natural bones, and which are bioresorbable Support materials can be used for bone replacement.
  • the compositions must be liquid, biocompatible, non-toxic, and highly reactive.
  • the polymer formed in the RP method must also contain structural elements which ensure good adhesion of osteoblasts, ie bone-forming cells.
  • sufficient hydrolytic stability is required in order for the bone cell-induced enzymatic degradation to proceed preferentially.
  • the invention relates to a composition curable by polymerization with a) 10-80% by weight of a reactive diluent based on acrylic acid or methacrylic acid derivatives, b) 10-50% by weight of a liquid or in the formulation ( the composition) of soluble monomer of the general formula
  • R 2 H or -CH 3
  • radicals Y independently of one another represent hydrogen, -CH 3 , -CH 2 -CH (CH 3 ) 2 ,
  • the composition is a UV or visible light curable (polymerizable) composition containing as component b) 10-50% by weight of a liquid or formulation-soluble monomer of the general formula
  • n is an integer between 1 and 100
  • R 2 H or -CH 3
  • Z 1 is -O- (CH 2) x -C0-, -0- (CH 2 -CH 2 -0.)
  • R 1 is hydrogen or R 1 together with Y is the radical - (CH 2 ) 3 or -CH 2 -CH (OX) -CH 2 -, in which X has the above meaning,
  • R 2 H or -CH 3
  • the composition contains 0-60% of a filler or solvent.
  • acrylic or methacrylic esters and amides or mixtures thereof for example acrylic acid, methacrylic acid, hydroxyethyl acrylate, hexanediol diacrylate, polyethylene glycol diacrylates, pentaerythritol triacrylate, dimethylacrylamide, diethylacrylamide, polylactic acid block polyethylene glycol block polylactic acid diacrylate.
  • liquid derivatives such as N, N
  • the monomers listed under b) are special (meth) acryloylated amino acids, peptides or proteins. These can be substituted according to the invention at one or both terminal groups and / or laterally on correspondingly reactive amino acid units, such as lysine, serine, tyrosine, aspartic acid or glutamic acid residues.
  • Such monomers are known from the literature (E. Schacht, WO 98/55161, 1998) (Zimmermann, J .; Bittner, K., Stark, B .; Mülhaupt, R.
  • Biomaterials; 2002; 23; 2127-2134) but can also be prepared by reacting peptides with reactive (meth) acrylic acid derivatives, such as (meth) acryloyl chloride, anhydride or glycidyl ester.
  • reactive (meth) acrylic acid derivatives such as (meth) acryloyl chloride, anhydride or glycidyl ester.
  • peptides mixtures which are obtained by hydrolysis of naturally occurring proteins, such as gelatin, keratin, fibrin or casein, but also peptide mixtures obtained from rice, soy, wheat, potato, hen's egg, meat or fish can be used for these reactions .
  • Preference according to the invention is given to (meth) acryloylated peptides which contain collagen-specific amino acid building blocks (for example glycine, arginine, aspartic acid, glutamic acid, alanine, proline, hydroxylysine or hydroxyproline) and (meth) acryloylated gelatin hydrolysates having molecular weights of up to 10,000 ,
  • collagen-specific amino acid building blocks for example glycine, arginine, aspartic acid, glutamic acid, alanine, proline, hydroxylysine or hydroxyproline
  • acryloylated gelatin hydrolysates having molecular weights of up to 10,000
  • the polymerizable (meth) acryloyl radicals can also be bonded to the peptide via a spacer.
  • Corresponding reaction reagents are: 12-Methacryloyloxydodekanklad, mono (14-methyl-13-oxo-3,6,9, 12-tetraoxapentadek-14-en-l-yl) butane-1, 4-diacid esters (EP 324 455 A2 ) or commercially available acryloxy-polyethylene glycol-N-hydroxysuccinimides.
  • Suitable photoinitiators are all radical-forming type I and type II initiators (compare "Photoinitiators for free radical polymerization" by J. Crivello and K. Dietliker, Wiley / SITA London). Examples of these are benzil ketals, benzoins, hydroxyalkylphenones, aminoalkylphenones, acylphosphine oxides, bisacylphosphine oxides, titanocenes.
  • Type II initiators such as benzophenones, diketones, thioxanthones and ketocoumarins are used with suitable coinitiators. These are mostly tertiary amines such as 4-
  • DMAB Dimethylaminobenzoic acid ethyl ester
  • camphorquinone / DMAB 2-hydroxy-1- [4- (2-hydroxyethoxy) phenyl] -2-methyl-1-propanone (Irgacure 2959) or phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide ( Irgacure 819).
  • Fillers which can be used are all known biocompatible and bioinert organic polymers or inorganic materials. These may be soluble or dispersed in the liquid monomer mixture in the form of powders, fibers and the like. Examples of these are polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, casein, keratin, gelatin, cellulose esters and ethers, chitosan, starch derivatives, hyaluronic acid derivatives, poly- ⁇ -hydroxy acid-based polyesters, poly- ⁇ -caprolactone, polypropylene fumarates, polycarbonates, polyanhydrides, polyphosphazenes, aluminum oxide, Zirconia, or Ti, (Ta, Nb) Alloys. Especially preferred according to the invention are hydroxyapatite, tricalcium phosphate, bone meal, algipore, polyethylene glycol, polyesters based on lactic acid and glycolic acid, keratin fibers, and fibrin glue.
  • the present invention relates to the use of the composition for the preparation of polymers or the process for the preparation of the polymers by polymerization of the composition.
  • thermal or photoinitiators can be used for polymerization.
  • the polymer is preferably a shaped body which is shaped in particular either by polymerization of the composition in a mold or by rapid prototyping (lithographic or stereolithographic rapid prototyping).
  • the constituents of the composition are preferably dissolved in organic solvents, with a water content of ⁇ 10%, preferably ⁇ 1%, most preferably ⁇ 0.1% (in% by weight, and, possibly, a fluid constituent may also occur as solvent ).
  • the present invention relates to moldings consisting of the polymerized composition having an E-modulus greater than 500 MPa.
  • Such a molded article is obtainable by the described method.
  • the shaped body preferably has an E-modulus greater than 500 MPa, preferably greater than 1000 MPa, in particular greater than 1500 MPa, especially preferably greater than 2000 MPa, most preferably greater than 5000 MPa or greater than 10000 MPa.
  • the modulus of elasticity (also: Young's modulus) is a material characteristic value from materials engineering that describes the relationship between stress and strain in the deformation of a solid body with linear elastic behavior.
  • the modulus of elasticity is abbreviated to modulus of elasticity.
  • the amount of elastic modulus is greater, the more resistance a material opposes to its deformation. Thus, a high modulus material is stiff, a low modulus material is compliant.
  • the modulus of elasticity is defined as the slope of the graph in the stress-strain diagram at uniaxial loading within the linear elasticity range.
  • the composition is responsible for the hardness, which is preferably absorbed in anhydrous organic solvents - since there is no water-related swelling or shrinkage.
  • the composition In the polymerization of the selected components of the composition, it also does not water. (Moisture may be tolerated to a small extent depending on the hardness to be achieved.)
  • the composition has ⁇ 10%, preferably ⁇ 1%, most preferably ⁇ 0.1% of water (in% by weight).
  • the components b) are not water-soluble (at most heterogeneously dispersible) but are soluble (homogeneously) in organic solvents.
  • Macromolecular structures as described by Anseth (Biomaterials 2003: 2485) or published in EP 1 142 596 A1 achieve only a modulus of 500 MPa.
  • Bismethacrylates of a polyorthoester have only a modulus of about 40 MPa (Kellomaki, M., Heller, J .; Tormala, P. Processing and properties of two different poly (ortho esters); Journal of Materials Science: Materials in Medicine (2000) 8-17 MPa (Cohn, D .; Hotovely-Salomon, A. Biodegradable multiblock PEO / PLA thermoplastic elastomers: molecular design and properties, polymer (II), 11 (6), 345-355), PEG-lactide bismethacrylate. 2005), 46 (7), 2068-2075).
  • the present invention now provides compositions which polymerize to much cheaper moldings (see Examples, below).
  • the surface of the shaped body is modified.
  • the formulation contains, for example, methacrylic anhydride
  • the surface can easily be modified by means of aminolysis. Suitable substances that are thus accessible are added (from the composition) or alternatively, are peptides that improve the adhesion of osteoblasts or precursors of osteoblasts. These include peptides with RGD sequences, preferably collagen I or collagen IV-like peptides.
  • the surface is preferably modified by covalently bonded proteins, peptides, amino acids or oligonucleotides.
  • the shaped body has a cellular or porous structure.
  • the cells have a wall thickness or pore size of 150-500 microns, in particular by 200 microns.
  • 200 ⁇ m corresponds to the average striae diameter of trabecular bone.
  • Pore diameters of between 150 ⁇ m to 500 ⁇ m, in particular 350 to 500 ⁇ m, are optimal for the attachment of osteoblasts.
  • This can be effected by specific forms in which the composition is polymerized, in particular those forms which consist of soluble materials, after which, after dissolution in a suitable solvent, the molding remains (molding).
  • such a structure can be constructed by means of the rapid prototyping method.
  • the solid shaped body is built up layer by layer from a solution or fluid composition of the starting materials (monomers), e.g. by slightly raising a lifting plate in a container with the starting composition from the bottom and light from below (a specific image of the respective layer to be polymerized) being radiated through the light (or UV) permeable bottom of the container, whereby at the illuminated areas the composition polymerizes. By further raising the plate and illuminating the next layer is built up, etc.
  • the advantage of the rapid prototyping method is that a targeted geometry of the shaped article can be made which is precisely adapted to medical needs, e.g. For example, after the removal of a bone tumor, the bone hole can be precisely measured (tomography) and then an exactly matching shaped body can be produced by means of the imaging method.
  • Salt leachincr NaCl particles and polymer are mixed in solution. The solvent is evaporated, the polymer over
  • Fiber Bonding Polyglycolic acid (PGA) fibers are immersed in a solution of polylactic acid (PLA). The solvent is evaporated and the resulting network is heated above the melting point of PGA (network fused), PLA is dissolved and the
  • 3D - printinc ⁇ with porogen PGA, PLA powder with NaCl, w.o., 95%
  • the shaped body is preferably modified by bound proteins, peptides, amino acids or oligonucleotides.
  • these are bone morphogenic proteins (BMP), cytokines, growth factors (e.g., TGF- ⁇ , PTH), cell differentiation factors, collagens or collagen fragments, preferably BMPs and collagens, especially type II collagen.
  • BMPs are known from the literature, in particular BMP-I (US 5,108,922), BMP-2 and BMP-3 (US 5,116,738 and US 5,013,649), BMP-4 (US 5,013,649), BMP-5 (US 5,106,748), BMP-6 ( US 5,187,076) and BMP-7 (US 5,108,753).
  • nucleic acids or oligonucleotides which promote bone growth are disclosed, for example, in EP 741 785. These proteins or oligonucleotides may also be administered separately in the medical application. Preferably, the surface is modified by hydroxyapatite coating.
  • the present invention relates to moldings for medical use, in particular as a bone substitute or bone replacement part, in particular as an implant. This is especially for the treatment of Bone damage, such as tumor-related Knochenaushöhlungen, beneficial.
  • the moldings are degradable after a certain time, which, without being limited to any particular theory, is caused by slow water penetration into the polymer.
  • the invention also relates to the use of a shaped body according to the invention for the production of an implant for the treatment of bone damage.
  • compositions of the invention which can be used by the rapid prototyping method for the production of mechanically stable bone substitute materials and compared with polymers of the prior art.
  • Methacylic anhydride MSA
  • GMl Methacylic anhydride
  • GM2 Methacylic anhydride
  • GM3 Methacylic anhydride
  • DS The average degree of substitution (DS) of methacryloyl-substituted lysine units was determined by NMR:
  • GMl 1.03 g yellow solid
  • DS 5% GM2: 1.27 g yellow oil
  • DS 47% GM3: 1.18 g yellow oil
  • DS 52%
  • Diethylene glycol or polyethylene glycol 400 were stirred overnight with CaCl 2 and filtered off. Methacrylic acid chloride was freshly distilled before use.
  • the mixtures were poured into a silicone mold and cured under nitrogen atmosphere on a UV system.
  • the resulting test pieces were extracted to remove residual monomer with organic solvents and water in an ultrasonic bath.
  • the extracted polymer forms were sterilized by irradiation with UV light.
  • osteoblast-like cells called MC3T3-E1 were used.
  • the adherent cells were first detached from each other with pronase and from the bottom of the Petri dish. They were then mixed with freshly prepared nutrient medium and distributed evenly on the individual test specimens in the multiwell.
  • the nutrient medium consisted of commercially available Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM, which originally contained 1000 mg / l glucose and was supplemented with further glucose up to a concentration of 4500 mg / l) supplemented with 10% FCS (fetal cow serum). , 30 ⁇ g / ml gentamycin (broad spectrum antibiotic), L-glutamine and ascorbic acid.
  • DMEM Dulbecco's Modified Eagle's Medium
  • FCS fetal cow serum
  • FCS fetal cow serum
  • the multiwell with the cells was incubated at 37 ° C. Using a microscope, it was possible to observe whether the cells can survive and adhere. If live cells were present after 2 weeks of culture, they were fixed with a solution of 4% paraformaldehyde and 0.5% Triton in PBS, washed several times with PBS buffer 7 and with a solution of 4, 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI, 5 ⁇ g / ml) in PBS buffer 7 .
  • DAPI 4, 6-diamidino-2-phenylindole
  • Biodegradability studies were performed at 37 ° C. in PBS buffer at a pH of 7.0.
  • the PBS buffer was changed every 12 hours in the first week, then every 3 days to keep the pH constant. Samples were taken after 1, 3, 7, 21 and 30 days.
  • the mechanical stiffness of the materials was determined by determining the modulus of elasticity by means of dynamic mechanical Analysis determined. Corresponding values for the modulus of elasticity are given in the following table:
  • formulations 6 to 9 according to the invention were able to achieve substantially higher and permanent stiffness values and, at the same time, excellent cell adhesion in comparison to known polymers 1-4 prepared according to the prior art.

Abstract

The invention relates to polymerizable compositions which comprise 10-80 % by weight of a reactive diluent based on acrylic acid or methacrylic acid derivatives, and 10-50 % by weight of a monomer of the indicated chemical formula which is liquid or which can be dissolved in the formulation. The formula may contain amino acid residues or peptide sequences, especially such that are specific of the collagen. These structural elements allow the enzymatic degradation of the polymers of the inventive composition.

Description

Polymerisierter Formkörper Polymerized shaped body
Die Erfindung betrifft mit Strahlung härtbare, biokompatible und bioresorbierbare Zusammensetzungen und deren Verwendung in formgebenden Verfahren zur Herstellung von polymeren Stützmaterialien für den Knochenersatz.The invention relates to radiation-curable, biocompatible and bioresorbable compositions and their use in molding processes for the production of polymeric bone replacement support materials.
Zur Heilung von Knochenbrüchen werden seit längerer Zeit Metallimplantate in Form von Schrauben, Stiften, Nägeln oder Platten eingesetzt, mit dem Nachteil, dass eine zweite Operation zur Entfernung der Fixierungsteile notwendig ist. Später wurden zur Fixierung von Knochenbrüchen auch Schrauben, Stifte und Nägel aus Polyglycolsäure, Polymilchsäure und deren Copolymeren eingeführt, einerseits wegen den mechanischen Eigenschaften, die denen von Knochen nahe kommen, andererseits, weil diese Implantate im Körper abgebaut werden und somit eine zweite Operation ersparen.For the healing of fractures for a long time metal implants in the form of screws, pins, nails or plates are used, with the disadvantage that a second operation to remove the fixation parts is necessary. Later, screws, pins and nails made of polyglycolic acid, polylactic acid and their copolymers were introduced for the fixation of fractures, on the one hand because of the mechanical properties that are close to those of bone, on the other hand, because these implants are degraded in the body and thus spare a second operation.
Im Fall von Knochentumoren, die entfernt werden müssen, bleibt oft ein größerer Defekt zurück, der ausgefüllt werden muss. Dafür ist ein Material erforderlich, das für kurze Zeit als Stütze dient, solange der Organismus braucht, um den Knochen wieder aufzubauen. Das Material soll also den natürlichen Heilungsprozess unterstützen und nach einer gewissen Zeit vollständig vom Körper resorbiert werden. Dazu muss das Material nicht nur biokompatibel und bioabbaubar sein, sondern auch optimal für die Anhaftung und Proliferation von Knochenzellen (Osteoblasten) geeignet sein. Außerdem soll ein solches Ersatzmaterial einen ähnlichen Aufbau wie natürliche Knochen haben, also möglichst ein poröses, zellular aufgebautes Kompositmaterial sein.In the case of bone tumors that need to be removed, there often remains a major defect that needs to be filled. This requires a material that serves as a support for a short time as long as the organism needs to rebuild the bone. The material should therefore support the natural healing process and be completely absorbed by the body after a certain time. For this, the material must not only be biocompatible and biodegradable, but also be optimally suited for the attachment and proliferation of bone cells (osteoblasts). In addition, such a replacement material should have a similar structure as natural bones, so if possible be a porous, cellular composite material.
Um die poröse Struktur von Knochen zu erzeugen gibt es zwei prinzipielle Möglichkeiten. Einerseits kann in eine flüssige Monomerformulierung eine Substanz eingebracht werden, die beim Aushärten Poren erzeugt. Das kann ein Schäumungsmittel sein, oder auch ein Feststoff wie Natriumchlorid oder Zucker, der nachträglich herausgelöst werden kann.To create the porous structure of bones, there are two principal possibilities. On the one hand, in a liquid monomer formulation, a substance can be introduced, which generates pores during curing. This can be a foaming agent, or even a solid such as sodium chloride or sugar, which can be subsequently dissolved out.
Beispielsweise wird in der WO 98/20893 ein Verfahren beschrieben, bei dem in einer Silikonform Monomergemische in Gegenwart von Zuckerwürfeln ausgehärtet werden und anschließend der Zucker mit Wasser herausgelöst wird. Die Porengröße und die innere Geometrie können bei solchen Verfahren nur innerhalb bestimmter statistischer Grenzen kontrolliert werden und es ist damit nicht möglich, definierte zellulare Strukturen zu erzeugen.For example, WO 98/20893 describes a process in which monomer mixtures are cured in the presence of sugar cubes in a silicone mold and the sugar is then dissolved out with water. The pore size and the Internal geometry can be controlled only within certain statistical limits in such methods and it is thus not possible to generate defined cellular structures.
Besser geeignet zur Herstellung von Implantaten ist das Rapid-Prototyping (RP) -Verfahren, bei dem durch schichtweise Photopolymerisation einer Monomerformulierung die gewünschte zellulare 3D-Struktur „nach Maß" angefertigt werden kann. Dabei können nicht nur beliebig unregelmäßige Formen - wie sie bei Knochendefekten gewöhnlich auftreten - hergestellt werden, sondern es sind damit auch Auflösungen im Bereich der Porendurchmesser von Knochen (100-500 μm) erreichbar. Übliche Biopolymere, die bereits in medizinischer Verwendung sind, wie beispielsweise PoIy (α-hydroxysäuren) , können jedoch nicht mittels RP-Verfahren hergestellt werden, da sie nicht aus photopolymerisierbaren Monomeren zugänglich sind. Photovernetzbare Formulierungen, die zu bioabbaubaren und bioverträglichen Polymeren führen, sind vereinzelt in der Literatur beschrieben.More suitable for the production of implants is the rapid prototyping (RP) method, in which the desired cellular 3D structure "made to measure" can be fabricated by layerwise photopolymerization of a monomer formulation, not just randomly irregular shapes - as in the case of bone defects However, resolutions in the range of pore diameters of bone (100-500 μm) can be achieved, but conventional biopolymers which are already in medical use, such as poly (α-hydroxy acids), can not be prepared by means of RP Since they are not accessible from photopolymerizable monomers, photocrosslinkable formulations which result in biodegradable and biocompatible polymers are described occasionally in the literature.
In der WO 03/002490 A2 werden Biomaterialien auf Basis von PoIy (propylenfumarat ) beansprucht, die mit Diethylfumarat photovernetzbar sind. Aus diesen Gemischen können entweder mit Hilfe von Abformtechniken vorgefertigte Implantate hergestellt werden, oder sie werden als injizierbare Formulierungen eingesetzt, die in vivo durch Photopolymerisation ausgehärtet werden.WO 03/002490 A2 claims biomaterials based on poly (propylene fumarate) which are photocrosslinkable with diethyl fumarate. From these mixtures, prefabricated implants can either be prepared by means of molding techniques, or they are used as injectable formulations which are cured in vivo by photopolymerization.
Da diese Formulierungen immer bereits ein vorgefertigtes Polymer - nämlich PoIy (propylenfumarat) - enthalten, ist die Einstellung der geeigneten Viskosität nur über hohe Anteile von Diethylfumarat möglich, was aber zu schwach vernetzten und damit mechanisch nicht sehr stabilen Formkörpern führt. Auch ist dadurch die gezielte Herstellung von porösen Strukturen nicht möglich, außerdem ist der Temperaturanstieg durch die Photopolymerisation beim in vivo-Einsatz problematisch.Since these formulations always already contain a prefabricated polymer - namely poly (propylene fumarate) -, the adjustment of the appropriate viscosity is possible only over high levels of Diethylfumarat, but this leads to weakly crosslinked and thus mechanically not very stable moldings. Also, the targeted production of porous structures is not possible, also the temperature increase is problematic by the photopolymerization when used in vivo.
Das System PoIy (propylenfumarat) /Diethylfumarat wurde auch schon in einem stereolithographischen Verfahren verwendet. (M. Cooke, J. P. Fisher, D. Dean, C. Rimnac, A. Mikos, Journal of Biomedical Materials Research - Part B Applied Biomaterials, v 64, n 2, Feb 15, 2003, p 65-69) . Dabei gelang die Herstellung eines Prototyp-Formkörpers, der allerdings nicht porös war. Auch die mechanische Stabilität der Formkörper mit einem Elastizitätsmodul von ca. 200 MPa entspricht nicht den mechanischen Materialanforderungen für Knochenersatzmaterialien, da ein natürlicher Knochen einen Elastizitätsmodul von über 2000 MPa aufweist. Von den Autoren wird auch hier auf die Problematik der Viskosität der Polymer/Monomer-Mischung hingewiesen, die dazu führt, dass die erhaltenen Formkörper nicht genau dem CAD-Modell entsprechen. Hohe Anteile an Diethylfumarat reduzieren die Viskosität, inhibieren aber die Vernetzung, Geringe Anteile führen zu starker Vernetzung, was aber wieder mit einer Verminderung der Bioresorbierbarkeit erkauft wird. Somit ist mit diesem System eine genaue Kontrolle der äußeren und inneren Morphologie der Implantate auch mittels Stereolithographie nur sehr eingeschränkt möglich. Ein weiteres Problem ist die bekannt geringe Polymerisationsgeschwindigkeit von Fumaraten.The system poly (propylene fumarate) / diethyl fumarate has also been used in a stereolithographic process. (M. Cooke, JP Fisher, D. Dean, C. Rimnac, A. Mikos, Journal of Biomedical Materials Research - Part B Applied Biomaterials, v. 64, n. 2, Feb. 15, 2003, p. 65-69). The production succeeded a prototype molding, which was not porous. Also, the mechanical stability of the moldings with a modulus of elasticity of about 200 MPa does not meet the mechanical material requirements for bone replacement materials, since a natural bone has a modulus of elasticity of about 2000 MPa. The authors also refer to the problem of the viscosity of the polymer / monomer mixture, which means that the shaped bodies obtained do not correspond exactly to the CAD model. High levels of Diethylfumarat reduce the viscosity, but inhibit the crosslinking, low proportions lead to strong cross-linking, but this again comes with a reduction in bioresorbability. Thus, with this system, a precise control of the outer and inner morphology of the implants is also possible only to a very limited extent by means of stereolithography. Another problem is the known low rate of polymerization of fumarates.
W. Matsuda et. al (T. Matsuda, M. Mizutani, , S. Arnold, Macromolecules 2000, 33.795-800, M. Mizutani, T. Matsuda, Journal of Biomedical Materials Research, v 61, n 1, 2002, p 53-60) befassten sich mit photohärtbaren bioabbaubaren Polymeren auf Basis von PoIy ( ε-caprolacton-co-trimethylencarbonat ) . Dabei wurden durch ringöffnende Copolymerisation von ε-Caprolacton mit Trimethylencarbonat verzweigte aliphatische Polyester hergestellt, in welche anschließend Coumarin-Endgruppen eingeführt wurden. Bei Bestrahlung mit UV-Licht kommt es durch Photodimerisierung der Endgruppen zur Vernetzung der Polyester. Neben den hier ebenfalls auftretenden Problemen bei der Viskositätseinstellung erfolgt hierbei die Vernetzung nur über die Endgruppen. Dies führt nicht nur zu sehr geringen Vernetzungsgeschwindigkeiten, sondern man erhält mit diesen Polymeren nur geringe Vernetzungsdichten, was sich ungünstig auf die mechanischen Eigenschaften der Formkörper auswirkt, wie die geringen Elastizitätsmoduli von maximal 40 MPa zeigen.W. Matsuda et. al., (Matsuda, M. Mizutani, S. Arnold, Macromolecules 2000, 33, 795-800, M. Mizutani, T. Matsuda, Journal of Biomedical Materials Research, v. 61, No. 1, 2002, p. 53-60) themselves with photocurable biodegradable polymers based on poly (ε-caprolactone-co-trimethylene carbonate). In this case, branched aliphatic polyesters were prepared by ring-opening copolymerization of ε-caprolactone with trimethylene carbonate, in which then coumarin end groups were introduced. Upon irradiation with UV light, photodimerization of the end groups results in crosslinking of the polyesters. In addition to the problems with the viscosity adjustment which also occur here, crosslinking takes place only via the end groups. This not only leads to very low crosslinking rates, but only low crosslinking densities are obtained with these polymers, which has an unfavorable effect on the mechanical properties of the moldings, as shown by the low elastic moduli of not more than 40 MPa.
Durch Einführung von Acrylat-Endgruppen in dieselben verzweigten Polyester konnte zwar dieBy introducing acrylate end groups into the same branched polyesters, the
Polymerisationsgeschwindigkeit erhöht werden, die anderen erwähnten Probleme werden dadurch aber nicht beseitigt, (M. Mizutani, T. Matsuda, Journal of Biomedical Materials Research, 62, 2002, S.387, T. Matsuda, M. Mizutani Journal of Biomedical Materials Research, 62, 2002, S.395).Polymerization rate can be increased, but the other problems mentioned are not eliminated, (M. Mizutani, T. Matsuda, Journal of Biomedical Materials Research, 62, 2002, p. 387, T. Matsuda, M. Mizutani Journal of Biomedical Materials Research, 62, 2002, p. 395).
In der US 6 083 524 werden Acrylat-terminierte Makromonomere mit einem zentralen Polyethylenglykol-Segment, das durch Blöcke aus PoIy (milchsäure) bzw. PoIy (glykolsäure) erweitert ist, beansprucht. Daraus wurden durch Photopolymerisation bioabbaubare Hydrogele hergestellt. Neben der geringen mechanischen Festigkeit ist hier insbesondere die schlechte Zellhaftung nachteilig. Dies wird auf den hohen Polyethylenglykol-Anteil mit seiner bekannten Resistenz gegenüber Proteinadsorption und Zelladhäsion zurückgeführt (Sawhney, A. S.; Pathak, CP. ; Hubbell, J.A. Macromolecules; 1993; 26; 581-587) . Ähnliche Makromonomere mit einer zentralen Diethylenglykol-Einheit und Blöcken aus Oligo (milchsäure) bzw. Oligo (caprolacton) ergaben Materialien mit etwas besserer Haftung von Osteoblasten (Davis, K.A. ; Burdick, J.A.; Anseth, K. S. Biomaterials; 2003; 24; 2485-2495). In beiden Fällen sind die hochviskosen bzw. festen Monomere jedoch nicht für Rapid-Prototyping-Verfahren einsetzbar.In US Pat. No. 6,083,524, acrylate-terminated macromonomers having a central polyethylene glycol segment extended by blocks of poly (lactic acid) or poly (glycolic acid) are claimed. From this, biodegradable hydrogels were prepared by photopolymerization. In addition to the low mechanical strength, in particular the poor cell adhesion is disadvantageous. This is attributed to the high proportion of polyethylene glycol with its known resistance to protein adsorption and cell adhesion (Sawhney, A.S., Pathak, CP .; Hubbell, J.A. Macromolecules, 1993; 26; 581-587). Similar macromonomers with a central diethylene glycol unit and blocks of oligo (lactic acid) or oligo (caprolactone) gave materials with somewhat better adhesion of osteoblasts (Davis, KA, Burdick, JA; Anseth, KS Biomaterials; 2003; 24; 2485-2495 ). In both cases, however, the high-viscosity or solid monomers can not be used for rapid prototyping processes.
Ein genereller Nachteil von diesen aliphatischen Polyestern auf Basis von Glykolsäuren bzw. Lactonen ist, dass die Bindungen relativ hydrolyselabil sind, d.h. dass sie im wässrigen Milieu verhältnismäßig schnell abgebaut werden. Der Abbau verläuft hydrolytisch und ist durch den autokatalytischen Charakter nicht kontrollierbar. Weiters zerfällt der Knochenersatz schneller, als neues Knochengewebe gebildet werden kann. Zudem können hohe Säurekonzentrationen auftreten, wodurch ein Milieu entsteht, welches zu unkontrolliertem Zelltod und damit zu nekrotischen Gewebsveränderungen führen kann. Demgegenüber wäre ein rein enzymatischer Abbau vorzuziehen, d.h. mit einem Biomaterial, das wachstumsfördernd für Knochenzellen wirkt (osteokonduktiv) , und damit auch von diesen Zellen Enzyme gebildet werden, die das Polymer abbauen. Auf diese Weise können die körpereigenen Zellen gewissermaßen den Abbau des implantierten Kunststoffes steuern. Polymere, die über hydrolytisch beständigere Amid-Bindungen aufgebaut sind, eignen sich grundsätzlich besser.A general disadvantage of these aliphatic polyesters based on glycolic acids or lactones is that the bonds are relatively hydrolysis-labile, i. that they are broken down relatively quickly in an aqueous environment. The degradation proceeds hydrolytically and is not controllable by the autocatalytic nature. Furthermore, the bone substitute disintegrates faster than new bone tissue can be formed. In addition, high acid concentrations can occur, creating a milieu, which can lead to uncontrolled cell death and thus to necrotic tissue changes. In contrast, purely enzymatic degradation would be preferable, i. With a biomaterial that promotes growth of bone cells (osteoconductive), and thus also enzymes are formed by these cells, which degrade the polymer. In this way, the body's cells can effectively control the degradation of the implanted plastic. Polymers which are built up over hydrolytically more stable amide bonds are generally better suited.
So sind Hydrogele auf Basis von Gelatine und Polyethylenglykol als Biomaterialien bekannt, die durch radikalische Copolymerisation von Jeffamin-bis-methacrylamiden und Methacrylamid-substituierter Gelatine hergestellt werden (Zimmermann, J.; Bittner, K.; Stark, B.; Mülhaupt, R. Biomaterials; 2002; 23; 2127-2134) . Diese Hydrogele zeichnen sich durch gute Zelladhäsion und -proliferation aus. Bedingt durch die verwendeten polymeren Bausteine (z.B. Jeffamin-Bismethacyrylamide mit Mn ca. 2000, Gelatine mit Mn ca. 3000) sind die mechanischen Festigkeiten dieser Hydrogele allerdings sehr gering, die Module liegen je nach Wassergehalt der Gele im Bereich von 240 bis 480 kPa, sind also um Größenordnungen geringer als bei Knocheneratzmaterialen gefordert wird. Außerdem sind diese viskosen Formulierungen nur wasserlöslich und für Rapid- Prototyping-Verfahren nicht geeignet.Thus, hydrogels based on gelatin and polyethylene glycol are known as biomaterials obtained by radical copolymerization of Jeffamin-bis-methacrylamides and methacrylamide-substituted gelatin (Zimmermann, J .; Bittner, K., Stark, B .; Mülhaupt, R. Biomaterials; 2002; 23; 2127-2134). These hydrogels are characterized by good cell adhesion and proliferation. Due to the polymeric building blocks used (eg Jeffamine bismethethyrylamides with Mn about 2000, gelatin with Mn about 3000), the mechanical strengths of these hydrogels are very low, the modules are in the range of 240 to 480 kPa, depending on the water content of the gels, are thus orders of magnitude smaller than required for bone replacement materials. In addition, these viscous formulations are only water soluble and not suitable for rapid prototyping.
Spezielle Hydrogel-Zusammensetzungen sind in der EP 1 142 596 Al für die Herstellung von therapeutisch aktiven Implantaten beansprucht, die aus vernetzbaren Präpolymeren (Makromeren) und biologisch aktiven Peptiden oder Proteinen bestehen. Als gegebenenfalls enthaltene weitere Zusatzstoffe werden anorganische Materialien und/oder Vinylmonomere angeführt. Entscheidend für die Anwendung ist die richtige Viskosität der Mischung, damit sie von Hand, mittels Injektionsspritzen oder sonstigen chirurgischen Instrumenten, verformbar ist. Zu diesem Zweck werden aus flexiblen aliphatischen Hauptketten aufgebaute Präpolymere eingesetzt, die nach der Auspolymerisation weitmaschige Netzwerke aus Präpolymeren bilden. Nach der Formgebung wird die pastöse Masse in die entsprechende Defektstelle eingebracht und dort in situ mittelsSpecial hydrogel compositions are claimed in EP 1 142 596 A1 for the preparation of therapeutically active implants consisting of crosslinkable prepolymers (macromers) and biologically active peptides or proteins. Optional further additives include inorganic materials and / or vinyl monomers. Decisive for the application is the correct viscosity of the mixture, so that it can be deformed by hand, by means of hypodermic syringes or other surgical instruments. For this purpose, built-up of flexible aliphatic main chains prepolymers are used, which form after the polymerization far-meshed networks of prepolymers. After shaping, the pasty mass is introduced into the corresponding defect site and there in situ by means of
Redoxinitiatoren oder Photoinitiatoren bei Temperaturen unterhalb 4O0C ausgehärtet.Redox initiators or photoinitiators at temperatures below 4O 0 C cured.
In der WO 1998/55161 Al werden Materialien für Wundverbände auf Basis von vernetzter methacrylmodifizierter Gelatine, bzw. Copolymeren aus dieser, mit Methacryl-modifizierten Polysacchariden (z.B. Dextran oder Xanthan) beschrieben. Bei diesen Hydrogel-Filmen handelt es sich naturgemäß um weiche Materialien, die gute Saugfähigkeit für wässerige Medien aufweisen müssen, da dies bei Wundauflagen und Verbänden Voraussetzung ist.WO 1998/55161 A1 describes materials for wound dressings based on crosslinked methacryl-modified gelatin, or copolymers thereof, with methacryl-modified polysaccharides (for example dextran or xanthan). By definition, these hydrogel films are soft materials which must have good absorbency for aqueous media, as this is a prerequisite for wound dressings and dressings.
In der US 2004/0110439 werden bioverträgliche Protein-Fasern und vernetzte Fasern bzw. Gewebe für medizinische Anwendungen beschrieben, die gegebenenfalls auch lebende Zellen enthalten können. Die Fasern werden auf Basis von polymerisierbaren Derivaten von Proteinen, beispielsweise Elastin, Kollagen oder Gelatine bzw. auch polymerisierbaren Derivaten von Peptidsequenzen, die für diese Proteine charakteristisch sind, hergestellt. Die Herstellung der Fasern erfolgt durch Elektrospinnen, wobei nachträglich eine photochemische Vernetzung über die polymerisierbaren Gruppen mit Hilfe von Photoinitiatoren erfolgt. Gegebenenfalls - wie z.B. beim Verspinnen von Collagen, werden noch wasserlösliche Polymere (Polyethylenoxid) zugesetzt. Durch diese Maßnahmen wird die mechanische Steifigkeit der Fasern erhöht, allerdings nur in relativ geringem Ausmaß. So werden beispielsweise für Collagen-PEO Fasern E-Moduli im Bereich von 8 bis 12 MPa angegeben.In US 2004/0110439 biocompatible protein fibers and crosslinked fibers or fabrics for medical applications described, which may optionally contain living cells. The fibers are produced on the basis of polymerizable derivatives of proteins, for example elastin, collagen or gelatin or polymerizable derivatives of peptide sequences which are characteristic of these proteins. The fibers are produced by electrospinning, with photochemical crosslinking subsequently taking place via the polymerizable groups with the aid of photoinitiators. Optionally, as in the case of spinning collagen, water-soluble polymers (polyethylene oxide) are added. By these measures, the mechanical stiffness of the fibers is increased, but only to a relatively small extent. For example, E moduli in the range of 8 to 12 MPa are given for collagen PEO fibers.
In der WO 1991/08242 Al werden Pfropfcopolymere beschrieben, die durch Pfropfung von Gemischen aus Peptiden, Proteinen, Vinylmonomeren und Vernetzern auf unlösliche fertige Polymere, wie z.B. Cellophan oder Polyethylenterephthalat mittels Gammastrahlung hergestellt werden. Durch dieses Verfahren erhält man flexible Folien mit biokompatibler Oberfläche, aus denen Implantate für den Blutgefäßersatz hergestellt werden können.WO 1991/08242 A1 describes graft copolymers obtained by grafting mixtures of peptides, proteins, vinyl monomers and crosslinkers onto insoluble finished polymers, e.g. Cellophane or polyethylene terephthalate be prepared by gamma radiation. This procedure results in flexible films with a biocompatible surface, from which implants for the blood vessel replacement can be made.
Bessere mechanische Eigenschaften wurden mit Biomaterialien auf Lysinurethandimethacrylat-Basis erzielt, welche durch Photopolymerisation in Gegenwart von Calcium-Hydroxylapatit erhalten wurden (Müh, E.; Zimmermann, J.; Kneser, U.; Marquardt, J.; Mülhaupt, R.; Stark, B. Biomaterials; 2002; 23; 2849-2854). Diese Materialien weisen gute Zellverträglichkeit und -haftung auf, jedoch ist das Monomergemisch fest, kann nur in der Schmelze polymerisiert und daher auch nicht für Rapid-Prototyping- Verfahren eingesetzt werden. Die Herstellung von mechanisch stabilen Formkörpern, beliebigen geometrischen Formen und zellularen Strukturen ist damit nicht möglich.Better mechanical properties were achieved with lysine-urethane dimethacrylate-based biomaterials obtained by photopolymerization in the presence of calcium hydroxyapatite (Müh, E., Zimmermann, J .; Kneser, U .; Marquardt, J .; Mülhaupt, R., Stark , B. Biomaterials; 2002; 23; 2849-2854). These materials have good cell compatibility and adhesion, but the monomer mixture is solid, can only be polymerized in the melt and therefore can not be used for rapid prototyping. The production of mechanically stable moldings, any geometric shapes and cellular structures is thus not possible.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine strahlungshärtbare Zusammensetzung anzugeben, die mittels Rapid-Prototyping- Verfahren zur Herstellung von beliebigen - insbesondere auch zellularen bzw. porösen - Formkörpern mit hohen mechanischen Festigkeiten, ähnlich wie sie natürliche Knochen aufweisen, eingesetzt werden können und welche als bioresorbierbare Stützmaterialien für den Knochenersatz verwendet werden können. Hierzu müssen die Zusammensetzungen flüssig, biokompatibel, nicht toxisch, und hoch reaktiv sein. Das beim RP-Verfahren gebildete Polymer muss neben Biokompatibilität, Bioresorbierbarkeit, ausreichender mechanischer Stabilität, insbesondere auch Strukturelemente enthalten, die eine gute Haftung von Osteoblasten - also knochenbildenden Zellen - gewährleisten. Weiters ist ausreichende hydrolytische Stabilität erforderlich, damit der von den Knochenzellen induzierte enzymatische Abbau bevorzugt abläuft.The object of the invention is to provide a radiation-curable composition which can be used by means of rapid prototyping for the production of any - especially cellular or porous - moldings with high mechanical strengths, similar to those of natural bones, and which are bioresorbable Support materials can be used for bone replacement. For this purpose, the compositions must be liquid, biocompatible, non-toxic, and highly reactive. In addition to biocompatibility, bioresorbability, sufficient mechanical stability, the polymer formed in the RP method must also contain structural elements which ensure good adhesion of osteoblasts, ie bone-forming cells. Furthermore, sufficient hydrolytic stability is required in order for the bone cell-induced enzymatic degradation to proceed preferentially.
Es wurde nun gefunden, dass diese Aufgabe mit Hilfe einer flüssigen strahlungshärtbaren Formulierung gelöst werden kann, die neben reaktiven Verdünnern, Photoinitiatoren und Füllstoffen auch Monomere mit Aminosäure-Resten bzw. Peptid-Sequenzen enthält, insbesondere auch solche, die für Kollagen spezifisch sind. Diese Strukturelemente bewirken einerseits eine gute Anhaftung von Osteoblasten und andererseits wirken sie als Substrate für den enzymatischen Apparat der Zellen, wodurch verstärkt Enzyme gebildet werden, die das Polymer spalten. Damit verläuft die Bioresorption bevorzugt über einen enzymatischen Abbau.It has now been found that this object can be achieved with the aid of a liquid, radiation-curable formulation which, in addition to reactive thinners, photoinitiators and fillers, also contains monomers with amino acid residues or peptide sequences, in particular also those which are specific for collagen. These structural elements, on the one hand, cause good adhesion of osteoblasts and, on the other hand, act as substrates for the enzymatic apparatus of the cells, whereby enzymes are increasingly formed which cleave the polymer. Thus, bioresorption preferably proceeds via an enzymatic degradation.
Gegenstand der Erfindung ist eine durch Polymerisation aushärtbare Zusammensetzung mit a) 10-80 Gew.-% eines reaktiven Verdünners auf Basis von Acrylsäure- bzw. Methacrylsäure-Derivaten, b) 10-50 Gew.-% eines flüssigen bzw. in der Formulierung (der Zusammensetzung) löslichen Monomers der allgemeinen FormelThe invention relates to a composition curable by polymerization with a) 10-80% by weight of a reactive diluent based on acrylic acid or methacrylic acid derivatives, b) 10-50% by weight of a liquid or in the formulation ( the composition) of soluble monomer of the general formula
worin n eine ganze Zahl zwischen 1 und 100 ist, worin X für Wasserstoff oder R3 oder (C=O)-R3 mit R3 gleich einem linearen oder verzweigten Alkylrest mit 1-20 C-Atomen, der durch ein oder mehrere Sauerstoffatome oder Estergruppen unterbrochen sein kann, oder den Restwherein n is an integer between 1 and 100, wherein X is hydrogen or R 3 or (C = O) -R 3 with R 3 is a linear or branched alkyl radical having 1-20 C atoms, which may be interrupted by one or more oxygen atoms or ester groups, or the rest
--
mit R2 = H oder -CH3 steht, with R 2 = H or -CH 3 ,
worin Zi -O- (CH2) X-CO- , -O- (CH2-CH2. -O) X-CH2-CO-, -0- (CH2-CH2. -O) x- CO-CH2-CH2-CO-, -O- (CH2-CH2. -0) X-OC-CH=CH-CO- -0-CH2-CH (OH) -CH2-, oder -0-(CH2-CH2-O)X-CH2-CH(OH)-CH2- mit x = 1-20 bedeutet,wherein Zi is -O- (CH 2 ) X -CO-, -O- (CH 2 -CH 2. -O) X -CH 2 -CO-, -O- (CH 2 -CH 2 .O) x - CO-CH 2 -CH 2 -CO-, -O- (CH 2 -CH 2. -O) X -OC-CH = CH-CO- -O-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -, or -O- (CH 2 -CH 2 -O) X -CH 2 -CH (OH) -CH 2 - where x = 1-20,
die Reste Y unabhängig voneinander für Wasserstoff, -CH3, -CH2- CH (CH3) 2,the radicals Y independently of one another represent hydrogen, -CH 3 , -CH 2 -CH (CH 3 ) 2 ,
-CH(CHs)-CH2-CH3, -CH2-COT, -CH2-CH2-COT, -CH2-OX, - (CH2) 4-NHX - (CH2) 3-NH-C(=NH) -NH2, -CH2SX, -CH(OX)-CH3, -CH2-CH2-S-CH3 , -CH2-C6H5, -CH2-C6H4-OX, -CH2-CONH2, -CH2-CH2-CONH2,-CH (CHs) -CH 2 -CH 3 , -CH 2 -COT, -CH 2 -CH 2 -COT, -CH 2 -OX, - (CH 2 ) 4 -NHX - (CH 2 ) 3 -NH- C (= NH) -NH 2 , -CH 2 SX, -CH (OX) -CH 3 , -CH 2 -CH 2 -S-CH 3 , -CH 2 -C 6 H 5 , -CH 2 -C 6 H 4 -OX, -CH 2 -CONH 2 , -CH 2 -CH 2 -CONH 2 ,
oder or
stehen, worin X obige Bedeutung hat,in which X has the above meaning,
R1 Wasserstoff oder R3 oder (C=O)-R3 wobei R3 obige Bedeutung hat, oder R1 zusammen mit Y den Rest - (CH2) 3- oder -CH2-CH(OX)-CH2- bedeuten, worin X obige Bedeutung hat,R 1 is hydrogen or R 3 or (C = O) -R 3 where R 3 has the above meaning, or R 1 together with Y represents the radical - (CH 2 ) 3 - or -CH 2 -CH (OX) -CH 2 - in which X has the above meaning,
T für die Gruppe -OH oder OR3 oder den RestT for the group -OH or OR 3 or the rest
mit R2 = H oder -CH3 steht, worin Z2 -O- (CH2) X-O- , -O- (CH2-CH2. -O) x -, -0-CH2-CH(OH)-CH2-O-, oder -0-CH2-CH(OH)-CH2-O-(CH2-CH2-O)X- mit x = 1-20 ist, with R 2 = H or -CH 3 , wherein Z 2 is -O- (CH 2 ) X -O-, -O- (CH 2 -CH 2. -O) x -, -O-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -O-, or - 0-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -O- (CH 2 -CH 2 -O) X - where x = 1-20,
mit der Maßgabe, dass mindestens ein Rest X, Y oder T die Gruppewith the proviso that at least one of X, Y or T is the group
enthält . contains.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zusammensetzung eine mit UV- bzw. sichtbarem Licht aushärtbare (polymerisierbare) Zusammensetzung, enthaltend als Bestandteil b) 10 - 50 Gew.-% eines flüssigen bzw. in der Formulierung löslichen Monomers der allgemeinen FormelIn a preferred embodiment, the composition is a UV or visible light curable (polymerizable) composition containing as component b) 10-50% by weight of a liquid or formulation-soluble monomer of the general formula
worin n eine ganze Zahl zwischen 1 und 100 ist,wherein n is an integer between 1 and 100,
worin X für Wasserstoff, den Restwhere X is hydrogen, the rest
--
mit R2 = H oder -CH3 steht, with R 2 = H or -CH 3 ,
worin Z1 -O- (CH2) x-C0- , -0- (CH2-CH2. -0) X-CH2-CO-, -0-CH2-CH(OH)- CH2-, oder -0-(CH2-CH2-O)X-CH2-CH(OH)-CH2- mit x = 1-20 bedeutet,wherein Z 1 is -O- (CH 2) x -C0-, -0- (CH 2 -CH 2 -0.) X is -CH 2 -CO-, -0-CH 2 -CH (OH) - CH 2 - , or -O- (CH 2 -CH 2 -O) X- CH 2 -CH (OH) -CH 2 - where x = 1-20,
die Reste Y unabhängig voneinander für Wasserstoff, -CH3, -CH2- CH (CH3) 2, -CH ( CH3 ) -CH2-CH3 , -CH2-COT , -CH2-CH2-COT , -CH2-OX, - ( CH2 ) 4-NHX - (CH2 ) 3-NH-C (=NH) -NH2, -CH2SX, -CH ( OX) -CH3 , -CH2-CH2-S-CH3 , -CH2-C6H5, -CH2-C6H4-OX, -CH2-CONH2 , -CH2-CH2-CONH2 ,the radicals Y independently of one another represent hydrogen, -CH 3 , -CH 2 -CH (CH 3 ) 2 , -CH (CH 3 ) -CH 2 -CH 3 , -CH 2 -COT, -CH 2 -CH 2 -COT, -CH 2 -OX, - (CH 2 ) 4 -NHX - (CH 2 ) 3 -NH -C (= NH) -NH 2 , -CH 2 SX, -CH (OX) -CH 3 , -CH 2 -CH 2 -S-CH 3 , -CH 2 -C 6 H 5 , -CH 2 -C 6 H 4 -OX, -CH 2 -CONH 2 , -CH 2 -CH 2 -CONH 2 ,
oder or
stehen, worin X obige Bedeutung hat,in which X has the above meaning,
R1 Wasserstoff oder R1 zusammen mit Y den Rest -(CH2) 3- oder -CH2-CH(OX)-CH2- bedeuten, worin X obige Bedeutung hat,R 1 is hydrogen or R 1 together with Y is the radical - (CH 2 ) 3 or -CH 2 -CH (OX) -CH 2 -, in which X has the above meaning,
T für die Gruppe -OH oder den RestT for the group -OH or the rest
mit R2 = H oder -CH3 steht, with R 2 = H or -CH 3 ,
worin Z2 -0- (CH2) x-0- , -0- (CH2-CH2. -O) x -, -0-CH2-CH(OH)-CH2-O-, oder -0-CH2-CH(OH)-CH2-O-(CH2-CH2-O)X- mit x = 1-20 ist,wherein Z 2 is -0- (CH 2 ) x -O-, -O- (CH 2 -CH 2. -O) x -, -O-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -O-, or - 0-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -O- (CH 2 -CH 2 -O) X - where x = 1-20,
mit der Maßgabe, dass mindestens ein Rest X, Y oder T die Gruppewith the proviso that at least one of X, Y or T is the group
enthält.contains.
Bevorzugt enthält die Zusammensetzung 0 - 60% eines Füllstoffes oder Lösungsmittels.Preferably, the composition contains 0-60% of a filler or solvent.
Bevorzugt werden 0,01 - 5 Gew.-% mindestens eines Initiators, gegebenenfalls 0 - 5 Gew.-% eines Coinitiators und/oder auch 0 - 10 Gew.-% eines oder mehrerer Zusatzstoffe wie Stabilisatoren, UV Absorber, Viskostitätsmodifikatoren, Lösungsmittel zugefügt.Preference is given to 0.01 to 5 wt .-% of at least one initiator, optionally 0 to 5 wt .-% of a coinitiator and / or 0-10% by weight of one or more additives such as stabilizers, UV absorbers, viscosity modifiers, solvents.
Als reaktive Verdünner können erfindungsgemäß alle bekannten mono-, di- aber auch mehrfachfunktionellen Acryl- bzw. Methacrylsäureester und -amide bzw. deren Gemische eingesetzt werden, beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, Hydroxyethylacrylat, Hexandioldiacrylat, Polyethylenglyokol- Diacrylate, Pentaerythrittriacrylat, Dimethylacrylamid, Diethylacrylamid, Polymilchsäure-block-polyethylenglykol-block- polymilchsäure-diacrylat .As reactive thinners, it is possible according to the invention to use all known mono-, di- but also polyfunctional acrylic or methacrylic esters and amides or mixtures thereof, for example acrylic acid, methacrylic acid, hydroxyethyl acrylate, hexanediol diacrylate, polyethylene glycol diacrylates, pentaerythritol triacrylate, dimethylacrylamide, diethylacrylamide, polylactic acid block polyethylene glycol block polylactic acid diacrylate.
Bevorzugt sind flüssige Derivate, wie z.B N, N-Preference is given to liquid derivatives, such as N, N
Diisopropylacrylamid, Acrylsäure-2- (butylcarbamoyloxy) ethylester, Hydroxyethylmethacrylat, N,N-Diisobutylacrylamid, Acrylsäure (2- (2-ethoxy) ethoxy) ethylester, Polyethylenglycoldiacrylat, und Trimethylolpropantriacrylat .Diisopropylacrylamide, 2- (butylcarbamoyloxy) ethyl acrylate, hydroxyethyl methacrylate, N, N-diisobutylacrylamide, 2- (2-ethoxy) ethoxy) acrylate, polyethylene glycol diacrylate, and trimethylolpropane triacrylate.
Bei den unter b) angeführten Monomeren handelt es sich um spezielle (meth) acryloylierte Aminosäuren, Peptide oder Proteine. Diese können erfindungsgemäß an einer oder beiden endständigen Gruppen substituiert sein und/oder seitenständig an entsprechend reaktiven Aminosäure-Bausteinen, wie z.B. an Lysin-, Serin-, Tyrosin-, Asparaginsäure- oder Glutaminsäure-Resten. Solche Monomere sind aus der Literatur bekannt (E. Schacht; WO 98/55161, 1998) (Zimmermann, J.; Bittner, K.; Stark, B.; Mülhaupt, R. Biomaterials; 2002; 23; 2127-2134)), können aber auch durch Umsetzung von Peptiden mit reaktiven (Meth) acrylsäurederivaten, wie z.B. (Meth) acrylsäurechlorid, -anhydrid oder -glycidylester hergestellt werden. Als Peptide können für diese Umsetzungen auch Gemische eingesetzt werden, die durch Hydrolyse von natürlich vorkommenden Proteinen, wie Gelatine, Keratin, Fibrin oder Casein erhalten werden, aber auch aus Reis, Soja, Weizen, Kartoffel, Hühnerei, Fleisch oder Fisch gewonnene Peptid-Gemische . Erfindungsgemäß bevorzugt sind (meth) acryloylierte Peptide, die Kollagen-spezifische Aminosäure-Bausteine (beispielsweise Glycin, Arginin, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Alanin, Prolin, Hydroxylysin oder Hydroxyprolin) enthalten, sowie (meth) acryloylierte Gelatin-Hydrolysate mit Molekulargewichten von bis zu 10.000. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind (meth) acryloylierte Peptide mit Sequenzen, die spezielle Rezeptoren für Zellanhaftung besitzen (z.B. Arginin-Glycin- Asparaginsäure, sog. RGD Sequenz, vgl. Hern, D. L.; Hubbell, J.A. Journal of Biomedical Materials, Research Part A.; 1998; 39; 266- 276) .The monomers listed under b) are special (meth) acryloylated amino acids, peptides or proteins. These can be substituted according to the invention at one or both terminal groups and / or laterally on correspondingly reactive amino acid units, such as lysine, serine, tyrosine, aspartic acid or glutamic acid residues. Such monomers are known from the literature (E. Schacht, WO 98/55161, 1998) (Zimmermann, J .; Bittner, K., Stark, B .; Mülhaupt, R. Biomaterials; 2002; 23; 2127-2134)) but can also be prepared by reacting peptides with reactive (meth) acrylic acid derivatives, such as (meth) acryloyl chloride, anhydride or glycidyl ester. As peptides, mixtures which are obtained by hydrolysis of naturally occurring proteins, such as gelatin, keratin, fibrin or casein, but also peptide mixtures obtained from rice, soy, wheat, potato, hen's egg, meat or fish can be used for these reactions , Preference according to the invention is given to (meth) acryloylated peptides which contain collagen-specific amino acid building blocks (for example glycine, arginine, aspartic acid, glutamic acid, alanine, proline, hydroxylysine or hydroxyproline) and (meth) acryloylated gelatin hydrolysates having molecular weights of up to 10,000 , Particularly preferred according to the invention (meth) acryloylated peptides having sequences which have specific receptors for cell attachment (eg arginine-glycine aspartic acid, so-called RGD sequence, see Hern, DL; Hubbell, JA Journal of Biomedical Materials, Research Part A, 1998; 39; 266-276).
Die polymersierbaren (Meth) acryloyl-Reste können erfindungsgemäß auch über einen spacer an das Peptid gebunden sein. Entsprechende Reagenzien für Umsetzung sind: 12- Methacryloyloxydodekansäureanhydrid, Mono (14-methyl-13-oxo- 3,6,9, 12-tetraoxapentadek-14-en-l-yl) butan-1, 4-disäureester (EP 324 455 A2) oder kommerziell erhältliche Acryloxy- Polyethylenglykol-N-hydroxysuccinimide .The polymerizable (meth) acryloyl radicals can also be bonded to the peptide via a spacer. Corresponding reaction reagents are: 12-Methacryloyloxydodekansäureanhydrid, mono (14-methyl-13-oxo-3,6,9, 12-tetraoxapentadek-14-en-l-yl) butane-1, 4-diacid esters (EP 324 455 A2 ) or commercially available acryloxy-polyethylene glycol-N-hydroxysuccinimides.
Neben den klassischen thermischen Initiatoren sind besonders Photoinitiatoren bevorzugt. Als Photoinitiatoren sind alle radikalbildenden Typ I- und Typ II-Initiatoren geeignet (vgl. "Photoinitiators for free radical polymerization" by J. Crivello and K. Dietliker, Wiley/SITA London) . Beispiele hierfür sind Benzilketale, Benzoine, Hydroxalkylphenone, Aminoalkylphenone, Acylphosphinoxide, Bisacylphosphinoxide, Titanocene. Typ II- Initiatoren wie Benzophenone, Diketone, Thioxanthone sowie Ketocoumarine werden mit geeigneten Coinitiatoren eingesetzt. Dies sind meist tertiäre Amine wie 4-In addition to the classical thermal initiators, especially photoinitiators are preferred. Suitable photoinitiators are all radical-forming type I and type II initiators (compare "Photoinitiators for free radical polymerization" by J. Crivello and K. Dietliker, Wiley / SITA London). Examples of these are benzil ketals, benzoins, hydroxyalkylphenones, aminoalkylphenones, acylphosphine oxides, bisacylphosphine oxides, titanocenes. Type II initiators such as benzophenones, diketones, thioxanthones and ketocoumarins are used with suitable coinitiators. These are mostly tertiary amines such as 4-
Dimethylaminobenzoesäureethylester (DMAB) , Triethanolamin oder Dimethylethanolamin .Dimethylaminobenzoic acid ethyl ester (DMAB), triethanolamine or dimethylethanolamine.
Erfindungsgemäß besonders geeignet sind Campherchinon/ DMAB, 2-Hydroxy-l- [4- (2-hydroxyethoxy) phenyl] -2-methyl-l-propanon (Irgacure 2959) oder Phenylbis (2, 4, 6-trimethylbenzoyl) - phosphinoxid (Irgacure 819) .Particularly suitable according to the invention are camphorquinone / DMAB, 2-hydroxy-1- [4- (2-hydroxyethoxy) phenyl] -2-methyl-1-propanone (Irgacure 2959) or phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide ( Irgacure 819).
Als Füllstoffe können alle bekannten biokompatiblen und bioinerten organischen Polymere oder anorganischen Materialien eingesetzt werden. Diese können löslich sein oder in Form von Pulvern, Fasern und dergleichen in der flüssigen Monomermischung dispergiert werden. Beispiele sind hierfür Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylalkohol, Casein, Keratin, Gelatine, Celluloseester und - ether, Chitosan, Stärkederivate, Hyaluronsäurederivate, Polyester auf Basis von Poly-α-Hydroxysäuren, Poly-ε-caprolacton, Polypropylenfumarate, Polycarbonate, Polyanhydride, Polyphosphazene, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, oder Ti, (Ta, Nb) Legierungen. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind Hydroxyapatit, Tricalciumphosphat, Knochenmehl, Algipor, Polyethylenglycol, Polyester auf Basis von Milchsäure und Glycolsäure, Keratinfasern, und Fibrinkleber.Fillers which can be used are all known biocompatible and bioinert organic polymers or inorganic materials. These may be soluble or dispersed in the liquid monomer mixture in the form of powders, fibers and the like. Examples of these are polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, casein, keratin, gelatin, cellulose esters and ethers, chitosan, starch derivatives, hyaluronic acid derivatives, poly-α-hydroxy acid-based polyesters, poly-ε-caprolactone, polypropylene fumarates, polycarbonates, polyanhydrides, polyphosphazenes, aluminum oxide, Zirconia, or Ti, (Ta, Nb) Alloys. Especially preferred according to the invention are hydroxyapatite, tricalcium phosphate, bone meal, algipore, polyethylene glycol, polyesters based on lactic acid and glycolic acid, keratin fibers, and fibrin glue.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der Zusammensetzung zur Herstellung von Polymerisaten bzw. das Verfahren zur Herstellung der Polymerisate durch Polymerisation der Zusammensetzung. Zur Polymerisation können thermische oder Photoinitiatioren verwendet werden.In a further aspect, the present invention relates to the use of the composition for the preparation of polymers or the process for the preparation of the polymers by polymerization of the composition. For polymerization, thermal or photoinitiators can be used.
Bevorzugt ist das Polymerisat ein Formkörper, der insbesondere entweder durch Polymerisation der Zusammensetzung in einer Form oder durch „Rapid-Prototyping" (Lithographisches oder Stereolithographisches Rapid-Prototyping) geformt wird.The polymer is preferably a shaped body which is shaped in particular either by polymerization of the composition in a mold or by rapid prototyping (lithographic or stereolithographic rapid prototyping).
Bevorzugt sind die Bestandteile der Zusammensetzung in organischen Lösungsmitteln gelöst, mit einem Wasseranteil < 10%, bevorzugt < 1%, am meisten bevorzugt < 0,1% (in Gew.-%, u. U. kann auch ein fluider Bestandteil als Lösungsmittel auftreten) .The constituents of the composition are preferably dissolved in organic solvents, with a water content of <10%, preferably <1%, most preferably <0.1% (in% by weight, and, possibly, a fluid constituent may also occur as solvent ).
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Formkörper bestehend aus der polymerisierten Zusammensetzung mit einem E-Modulus größer 500 MPa. Ein solcher Formkörper ist durch das beschriebene Verfahren erhältlich.In a further aspect, the present invention relates to moldings consisting of the polymerized composition having an E-modulus greater than 500 MPa. Such a molded article is obtainable by the described method.
Bevorzugt weist der Formkörper einen E-Modulus größer als 500 MPa, bevorzugt größer als 1000 MPa, insbesondere größer als 1500 MPa, speziell bevorzugt größer als 2000 MPa, am meisten bevorzugt größer als 5000 MPa oder größer als 10000 MPa auf.The shaped body preferably has an E-modulus greater than 500 MPa, preferably greater than 1000 MPa, in particular greater than 1500 MPa, especially preferably greater than 2000 MPa, most preferably greater than 5000 MPa or greater than 10000 MPa.
Der Elastizitätsmodul (auch: Youngscher Modul) ist ein Materialkennwert aus der Werkstofftechnik, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhalten beschreibt. Der Elastizitätsmodul wird mit E-Modul abgekürzt. Der Betrag des Elastizitätsmoduls ist umso größer, je mehr Widerstand ein Material seiner Verformung entgegensetzt. Ein Material mit hohem Elastizitätsmodul ist also steif, ein Material mit niedrigem Elastizitätsmodul ist nachgiebig. Der Elastizitätsmodul ist als Steigung des Graphen im Spannungs-Dehnungs-Diagramm bei einachsiger Belastung innerhalb des linearen Elastizitätsbereichs definiert . Für die Härte ist u.a. die Zusammensetzung verantwortlich, die in bevorzugt in wasserfreien organischen Lösungsmitteln aufgenommen ist - da es zu keinem wasserbedingten Quellen oder Schrumpfen kommt. Bei der Polymerisation der gewählten Bestandteile der Zusammensetzung kommt es auch nicht zur Wasserbildung. (Feuchtigkeit kann je nach zu erzielender Härte in geringem Ausmaß tolerierbar sein.) Insbesondere weist die Zusammensetzung < 10%, bevorzugt < 1%, am meisten bevorzugt < 0,1% Wasser auf (Angaben in Gew.-%) . Insbesondere sind die Komponenten b) nicht wasserlöslich (höchstens heterogen dispergierbar) , sondern in organischen Lösungsmitteln (homogen) löslich.The modulus of elasticity (also: Young's modulus) is a material characteristic value from materials engineering that describes the relationship between stress and strain in the deformation of a solid body with linear elastic behavior. The modulus of elasticity is abbreviated to modulus of elasticity. The amount of elastic modulus is greater, the more resistance a material opposes to its deformation. Thus, a high modulus material is stiff, a low modulus material is compliant. The modulus of elasticity is defined as the slope of the graph in the stress-strain diagram at uniaxial loading within the linear elasticity range. Among other things, the composition is responsible for the hardness, which is preferably absorbed in anhydrous organic solvents - since there is no water-related swelling or shrinkage. In the polymerization of the selected components of the composition, it also does not water. (Moisture may be tolerated to a small extent depending on the hardness to be achieved.) In particular, the composition has <10%, preferably <1%, most preferably <0.1% of water (in% by weight). In particular, the components b) are not water-soluble (at most heterogeneously dispersible) but are soluble (homogeneously) in organic solvents.
Mit der Bildung von Formkörpern für die Verwendung als Knochenersatz ist es möglich Körper herzustellen, die in ihren mechanischen Eigenschaften Knochenmaterialien verblüffend ähneln. Ein E-Modul des Formkörpers unterhalb von 500 MPa ist ungünstig, da der Körper zu gummiartig ist (relativ zu Knochen betrachtet) . Gute Werte sind zwischen 1500 und 5000 MPa, am besten wäre um die 10000 MPa, welcher der Wert von natürlichem Knochen ist. Ein solcher hoher Wert wird vorzugsweise durch den zusätzlichen Einsatz von Füllstoffen erreicht.With the formation of moldings for use as a bone substitute, it is possible to produce bodies that are surprisingly similar in their mechanical properties to bone materials. An modulus of elasticity of the molded article below 500 MPa is unfavorable because the body is too rubbery (relative to bone). Good values are between 1500 and 5000 MPa, preferably around 10000 MPa, which is the value of natural bone. Such a high value is preferably achieved by the additional use of fillers.
Makromere Strukturen, wie von Anseth (Biomaterials 2003: 2485) beschrieben oder in der EP 1 142 596 Al veröffentlicht, erreichen lediglich einen Modulus von 500 MPa. Bismethacrylate von einem Polyorthoester weisen lediglich einen Modulus von ca 40 MPa auf (Kellomaki, M.; Heller, J.; Tormala, P. Processing and properties of two different poly(ortho esters) ; Journal of Materials Science: Materials in Medicine (2000), 11 (6), 345- 355), PEG-Lactide-Bismethacrylat ca. 8-17 MPa (Cohn, D.; Hotovely-Salomon, A. Biodegradable multiblock PEO/PLA thermoplastic elastomers: molecular design and properties. Polymer (2005), 46 (7), 2068-2075). Die vorliegende Erfindung liefert nun Zusammensetzungen, die zu weitaus günstigeren Formkörpern polymerisieren (s. Beispiele, unten).Macromolecular structures as described by Anseth (Biomaterials 2003: 2485) or published in EP 1 142 596 A1 achieve only a modulus of 500 MPa. Bismethacrylates of a polyorthoester have only a modulus of about 40 MPa (Kellomaki, M., Heller, J .; Tormala, P. Processing and properties of two different poly (ortho esters); Journal of Materials Science: Materials in Medicine (2000) 8-17 MPa (Cohn, D .; Hotovely-Salomon, A. Biodegradable multiblock PEO / PLA thermoplastic elastomers: molecular design and properties, polymer (II), 11 (6), 345-355), PEG-lactide bismethacrylate. 2005), 46 (7), 2068-2075). The present invention now provides compositions which polymerize to much cheaper moldings (see Examples, below).
Besonders bevorzugt ist die Oberfläche des Formkörpers modifiziert. Enthält die Formulierung z.B. Methacrylsäureanhydrid so kann auf einfache Weise die Oberfläche mittels Aminolyse modifiziert werden. Geeignete Substanzen, die somit zugänglich werden (aus der Zusammensetzung) bzw. alternativ angefügt werden, sind Peptide, die die Anhaftung von Osteoblasten bzw. Vorstufen von Osteoblasten verbessern. Hierzu zählen Peptide mit RGD Sequenzen, bevorzugt sind Kollagen I oder Kollagen IV ähnliche Peptide. Die Oberfläche ist bevorzugt durch kovalent gebundene Proteine, Peptide, Aminosäuren oder Oligonukleotide modifiziert.Particularly preferably, the surface of the shaped body is modified. If the formulation contains, for example, methacrylic anhydride, the surface can easily be modified by means of aminolysis. Suitable substances that are thus accessible are added (from the composition) or alternatively, are peptides that improve the adhesion of osteoblasts or precursors of osteoblasts. These include peptides with RGD sequences, preferably collagen I or collagen IV-like peptides. The surface is preferably modified by covalently bonded proteins, peptides, amino acids or oligonucleotides.
Insbesondere bevorzugt weist der Formkörper eine zelluläre bzw. poröse Struktur auf. Bevorzugt weisen die Zellen eine Wanddicke oder auch Porengröße von 150-500 μm, insbesondere um 200 μm auf. 200 μm entspricht dem durchschnittlichen Strebendurchmesser von trabekulären Knochen. Porendruchmesser von zwischen 150 μm bis 500 μm, insbesondere 350 bis 500 μm, sind optimal zur Anlagerung von Osteoblasten. Dies kann durch spezielle Formen bewirkt werden, in denen die Zusammensetzung polymerisiert wird, im Speziellen solche Formen, die aus löslichen Materialien bestehen, wobei nach dem Auflösen in einem geeigneten Lösungsmittel der Formkörper zurückbleibt (Abformen) . Andererseits kann mittels des Rapid-Prototyping-Verfahrens eine solche Struktur aufgebaut werden. Beim Rapid-Prototyping- Verfahren wird schichtweise der feste Formkörper aus einer Lösung bzw. der fluiden Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien (der Monomeren) aufgebaut, z.B. indem eine Hebeplatte in einem Behälter mit der Ausgangszusammensetzung vom Boden geringfügig angehoben wird und von unten gezielt Licht (ein spezielles Bild der jeweils zu polymerisierenden Schicht) durch den Licht- (oder UV-) durchlässigen Boden des Behälters eingestrahlt wird, wodurch an den angeleuchteten Stellen die Zusammensetzung polymerisiert. Durch weiteres Anheben der Platte und Beleuchten wird die nächste Schicht aufgebaut, usw. Der Vorteil des Rapid- Prototyping-Verfahrens liegt darin, dass eine gezielte Geometrie des Formkörpers hergestellt werden kann, die den medizinischen Bedürfnissen exakt angepasst ist, z.B. kann nach dem Entfernen eines Knochentumors das Knochenloch exakt vermessen werden (Tomographie) und dann mittels der bildgebenden Verfahren ein exakt passender Formkörper hergestellt werden.Particularly preferably, the shaped body has a cellular or porous structure. Preferably, the cells have a wall thickness or pore size of 150-500 microns, in particular by 200 microns. 200 μm corresponds to the average striae diameter of trabecular bone. Pore diameters of between 150 μm to 500 μm, in particular 350 to 500 μm, are optimal for the attachment of osteoblasts. This can be effected by specific forms in which the composition is polymerized, in particular those forms which consist of soluble materials, after which, after dissolution in a suitable solvent, the molding remains (molding). On the other hand, such a structure can be constructed by means of the rapid prototyping method. In the rapid prototyping process, the solid shaped body is built up layer by layer from a solution or fluid composition of the starting materials (monomers), e.g. by slightly raising a lifting plate in a container with the starting composition from the bottom and light from below (a specific image of the respective layer to be polymerized) being radiated through the light (or UV) permeable bottom of the container, whereby at the illuminated areas the composition polymerizes. By further raising the plate and illuminating the next layer is built up, etc. The advantage of the rapid prototyping method is that a targeted geometry of the shaped article can be made which is precisely adapted to medical needs, e.g. For example, after the removal of a bone tumor, the bone hole can be precisely measured (tomography) and then an exactly matching shaped body can be produced by means of the imaging method.
Weitere verfahrenstechnische Möglichkeiten zellulare Strukturen zu bekommen schließen ein (s. Gibson LJ, Freyman TM, Yannas IV; Cellular Materials as porous scaffolds for tissue engineereing. Progress in Materials Science 46 (2001), 273-282):Further procedural possibilities for obtaining cellular structures include (see Gibson LJ, Freyman ™, Yannas IV; Cellular Materials as porous scaffolds for tissue engineering. Progress in Materials Science 46 (2001), 273-282):
Salt-leachincr: NaCl-Partikel und Polymer werden in Lösung gemischt. Das Lösungsmittel wird abgedampft, das Polymer überSalt leachincr: NaCl particles and polymer are mixed in solution. The solvent is evaporated, the polymer over
Schmelzpunkt erhitzt (bessere Verteilung der Partikel) , abgekühlt, in Wasser gelegt, wobei das Salz in Lösung geht. 20-Melting point heated (better distribution of the particles), cooled, placed in water, the salt goes into solution. 20
93% Porosität ist hiermit erreichbar, mit einer Porengröße im93% porosity is achievable, with a pore size in the
Bereich von 30-120 μm.Range of 30-120 μm.
Schäumen: CO2 wird unter Druck (800psi, 25°C) imFoaming: CO 2 is pressurized (800psi, 25 ° C)
Polymer (Zusammensetzung) gelöst, der Druck wird reduziert, dasPolymer (composition) solved, the pressure is reduced, the
Gas expandiert und formt Poren; typisch: 93% Porosität,Gas expands and forms pores; typical: 93% porosity,
Porengröße lOOμm. fibre bondincr: Polyglycolsäure (PGA) -Fasern werden in eine Lösung von Polymilchsäure (PLA) eingetaucht. Das Lösungsmittel wird abgedampft und das resultierende Netzwerk über den Schmelzpunkt von PGA erwärmt (Netzwerk verschmolzen) , PLA wird gelöst und dasPore size 100μm. Fiber Bonding: Polyglycolic acid (PGA) fibers are immersed in a solution of polylactic acid (PLA). The solvent is evaporated and the resulting network is heated above the melting point of PGA (network fused), PLA is dissolved and the
PGA-Netzwerk bleibt über.PGA network remains over.
3D--printincτ mit Porogen: PGA, PLA-Pulver mit NaCl, w.o., 95%3D - printincτ with porogen: PGA, PLA powder with NaCl, w.o., 95%
Porosität, lOOμm PorengrößePorosity, 100μm pore size
Bevorzugt ist der Formkörper durch gebundene Proteine, Peptide, Aminosäuren oder Oligonukleotide modifiziert. Insbesondere sind dies Knochen-Morphogenische-Proteine (BMP - bone naorphogenic proteins) , Cytokinen, Wachstumsfaktoren (z.B. TGF-ß, PTH) , Zell-Differenzierungsfaktoren, Kollagene oder Kollagenfragmente, bevorzugt BMPs und Kollagene, insbesondere Typ II-Kollagen. Beispiele für BMPs sind literaturbekannt, insbesondere BMP-I (US 5,108,922), BMP-2 und BMP-3 (US 5,116,738 und US 5,013,649), BMP-4 (US 5,013,649), BMP-5 (US 5,106,748), BMP-6 (US 5,187,076) und BMP-7 (US 5,108,753). Beispiele für Nukleinsäuren oder Oligonukleotide, die das Knochenwachstum fördern, sind beispielsweise in der EP 741 785 offenbart. Diese Proteine oder Oligonukleotide können bei der medizinischen Anwendung auch separat verabreicht werden. Bevorzugt wird die Oberfläche durch Hydroxyapatit-Beschichtung modifiziert.The shaped body is preferably modified by bound proteins, peptides, amino acids or oligonucleotides. In particular, these are bone morphogenic proteins (BMP), cytokines, growth factors (e.g., TGF-β, PTH), cell differentiation factors, collagens or collagen fragments, preferably BMPs and collagens, especially type II collagen. Examples of BMPs are known from the literature, in particular BMP-I (US 5,108,922), BMP-2 and BMP-3 (US 5,116,738 and US 5,013,649), BMP-4 (US 5,013,649), BMP-5 (US 5,106,748), BMP-6 ( US 5,187,076) and BMP-7 (US 5,108,753). Examples of nucleic acids or oligonucleotides which promote bone growth are disclosed, for example, in EP 741 785. These proteins or oligonucleotides may also be administered separately in the medical application. Preferably, the surface is modified by hydroxyapatite coating.
In einem weiterrn Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Formkörper zur medizinischen Anwendung, insbesondere als Knochenersatzmittel oder Knochenersatzteil, insbesondere als Implantat. Dies ist insbesondere zur Behandlung von Knochenschäden, wie beispielsweise Tumor-bedingte Knochenaushöhlungen, vorteilhaft. Im Körper sind die Formkörper nach einer bestimmten Zeit abbaubar, das, ohne auf eine bestimmte Theorie beschränkt zu sein, durch langsames Wassereindringen in das Polymer bewirkt wird.In a further aspect, the present invention relates to moldings for medical use, in particular as a bone substitute or bone replacement part, in particular as an implant. This is especially for the treatment of Bone damage, such as tumor-related Knochenaushöhlungen, beneficial. In the body, the moldings are degradable after a certain time, which, without being limited to any particular theory, is caused by slow water penetration into the polymer.
In einem verwandten Aspekt betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Formkörpers zur Herstellung eines Implantats zur Behandlung von Knochenschäden.In a related aspect, the invention also relates to the use of a shaped body according to the invention for the production of an implant for the treatment of bone damage.
In den folgenden Beispielen sind erfindungsgemäße Zusammensetzungen angeführt, die nach dem Rapid-Prototyping- Verfahren zur Herstellung von mechanisch stabilen Knochenersatzmaterialien eingesetzt werden können und mit Polymeren nach dem Stand der Technik verglichen werden.In the following examples compositions of the invention are given which can be used by the rapid prototyping method for the production of mechanically stable bone substitute materials and compared with polymers of the prior art.
Beispiel 1example 1
Herstellung von Gela.txnehydrolysat-Methacxrylami.den GMl, GM2 und GM3:Preparation of Gela.txnehydrolysat-Methacxrylami.den GMl, GM2 and GM3:
I g (0,4 mmol) Gelatinehydrolysat (M < 6000 g/mol, 0,63 mmol Lysin/g) wurde unter leichtem Erwärmen (nicht über 500C) in Wasser gelöst. Nach der Zugabe von 1 g (6,7 mmol)I g (0.4 mmol) gelatin hydrolyzate (M <6000 g / mol, 0.63 mmol lysine / g) was dissolved in water with gentle heating (not above 50 0 C). After the addition of 1 g (6.7 mmol)
Methacylsäureanhydrid (MSA) wurde das Gemisch für 0,25 h (GMl), 4 h (GM2) bzw. 5 h (GM3) kräftig gerührt um einen unterschiedlichen Substitutionsgrad zu erlangen. Anschließend wurde überschüssige Methacrylsäure und Methacrylsäureanhydrid im Vakuum entfernt. Der durchschnittliche Substitutionsgrad (DS) von Methacryloyl- substituierten Lysineinheiten wurde mittels NMR bestimmt:Methacylic anhydride (MSA), the mixture was vigorously stirred for 0.25 h (GMl), 4 h (GM2) and 5 h (GM3), respectively, to obtain a different degree of substitution. Subsequently, excess methacrylic acid and methacrylic anhydride were removed in vacuo. The average degree of substitution (DS) of methacryloyl-substituted lysine units was determined by NMR:
GMl: 1,03 g gelber Feststoff, DS=5% GM2: 1,27 g gelbes Öl, DS=47% GM3: 1,18 g gelbes Öl, DS=52%GMl: 1.03 g yellow solid, DS = 5% GM2: 1.27 g yellow oil, DS = 47% GM3: 1.18 g yellow oil, DS = 52%
1H-NMR (DMSO δ (ppm):7.19 (m, Äromaten-H) ; .5.39 (s, HCE=C); 5.62 (s, HCH=C); 4.70-0.75 (m, Aliphaten-H) ; 1.5 (s, CH3) 1 H-NMR (DMSO δ (ppm): 7.19 (m, aromatics-H); 5.39 (s, HCE = C); 5.62 (s, HCH = C); 4.70-0.75 (m, aliphatic-H); 1.5 (s, CH 3 )
Vergleichsbeispiel 1 Herstellung von methacxγlollerten OlxgoBthylengycol-Milchsäure- BlockcopolymerenComparative Example 1 Preparation of methacrylate-terminated olxgo-butylgycol-lactic acid block copolymers
(E2-L20-M und E8-L20-M wurden analog zu Davis Kelly A; et. al . Biomaterials 2003, 24(14), 2485-95 hergestellt).(E2-L20-M and E8-L20-M were prepared analogously to Davis Kelly A, et al, Biomaterials 2003, 24 (14), 2485-95).
E2-L20-M E8-L20-ME2-L20-M E8-L20-M
D, L-Lactid 10,0 g (69 mmol) 10,0 g (69 mmol)D, L-lactide 10.0 g (69 mmol) 10.0 g (69 mmol)
Diethylengycol 0,74 g (7 mmol)Diethylene glycol 0.74 g (7 mmol)
PolyethylengycolPolyethylengycol
400 2,78 g (7 mmol)400 2.78 g (7 mmol)
Sn-Octoat 94 mg (0,2 mmol) 94 mg (0,2 mmol)Sn Octoate 94 mg (0.2 mmol) 94 mg (0.2 mmol)
Triethylamin 2,11 g (21 mmol) 2,80 g (28 mmolTriethylamine 2.11 g (21 mmol) 2.80 g (28 mmol
Methacrylsäurechl orid 2,17 g [21 mmol) 2, 90 g (28 mmol)Methacrylic acid chloride 2.17 g [21 mmol] 2.90 g (28 mmol)
CH2Cl2 abs. 70 ml 70 mlCH 2 Cl 2 abs. 70 ml 70 ml
Diethylenglycol bzw. Polyethylenglycol 400 wurden über Nacht mit CaCl2 gerührt und abfiltriert. Methacrylsäurechlorid wurde vor Gebrauch frisch destilliert.Diethylene glycol or polyethylene glycol 400 were stirred overnight with CaCl 2 and filtered off. Methacrylic acid chloride was freshly distilled before use.
D, L-Lactid und das entsprechende Etyhlenglykol wurden in einem Dreihalskolben vorgelegt und auf 1300C aufgeheizt. Nachdem das D, L-Lactid aufgeschmolzen war, wurde der Katalysator zugegeben, Vakuum angelegt und das Gemisch bei 13O0C für 6 h gerührt. Nach dem Abkühlen wurde der ölige Feststoff in wasserfreiem CH2Cl2 gelöst und unter N2-Atmosphäre mit Triethylamin versetzt. Das Reaktionsgemisch wurde auf 00C abgekühlt und langsam das mit 30 ml CH2Cl2 verdünnte Methacrylsäurechlorid zugetropft. Das Reaktionsgemisch wurde über Nacht bei Raumtemperatur weitergerührt .D, L-lactide and the corresponding Etyhlenglykol were placed in a three-necked flask and heated to 130 0 C. After the D, L-lactide had melted, the catalyst was added, vacuum applied and the mixture stirred at 13O 0 C for 6 h. After cooling, the oily solid was dissolved in anhydrous CH 2 Cl 2 and triethylamine was added under N 2 atmosphere. The reaction mixture was cooled to 0 0 C and slowly added dropwise with 30 ml of CH 2 Cl 2 diluted methacrylic acid chloride. The reaction mixture was further stirred at room temperature overnight.
Anschließend wurden die Salze abfiltriert und das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer abgezogen. Der Rückstand wurde in Toluol aufgenommen, neuerlich filtriert und in kalten PE gegossen. Das Produkt wurde ein weiteres Mal umgefällt, anschließend in CH2Cl2 gelöst und mehrmals mit NaHCO3-Lösung und Brine gewaschen, mit Na2SO4 getrocknet, filtriert und eingedampft.Subsequently, the salts were filtered off and the solvent was removed on a rotary evaporator. The residue was taken up in toluene, filtered again and poured into cold PE. The product was reprecipitated a second time, then dissolved in CH 2 Cl 2 and washed several times with NaHCO 3 solution and brine, dried with Na 2 SO 4 , filtered and evaporated.
E2-L20-M: 9,0 g klebriger Feststoff (66% der Theorie) 1H-NMR (DMSO) : 6, 18 (s , 2H, HCH=C;) 5, 62 (s , -2H, HCH=C) ; 5, 13 (m , 20H, CH-CO) ; 4 , 25 (m , 4H, CH2-O) ; 3 , 65 (m, 4H, CH2-O) ; 1 , 94 (s , 6H, CH3-C=C) ; 1 , 58-1 , 46 (m, 6OH, CH3-C-O)E2-L20-M: 9.0 g sticky solid (66% of theory) 1 H-NMR (DMSO): 6, 18 (s, 2H, HCH = C;) 5, 62 (s, -2H, HCH = C); 5, 13 (m, 20H, CH-CO); 4, 25 (m, 4H, CH 2 -O); 3.65 (m, 4H, CH 2 -O); 1, 94 (s, 6H, CH 3 -C = C); 1, 58-1, 46 (m, 6 OH, CH 3 -CO)
E8-L20-M: 4,5 g gelber Feststoff (33% der Theorie) 1H-NMR (DMSO) 6,20 (s, 2H, HCH=C;) 5,60 (s, 2H, HCH=C); 5,13 (m, 20H, CH-CO); 4,25 (m, 4H, CH2-O); 3,70-3,60 (m, 2QH, CH2-O); 1,97 (s, 6H, CH3-C=C); 1,60-1,48 (m, 6OH, CH3-C-O)E8-L20-M: 4.5 g yellow solid (33% of theory) 1 H-NMR (DMSO) 6.20 (s, 2H, HCH = C;) 5.60 (s, 2H, HCH = C) ; 5.13 (m, 20H, CH-CO); 4.25 (m, 4H, CH 2 -O); 3.70-3.60 (m, 2QH, CH 2 -O); 1.97 (s, 6H, CH 3 -C = C); 1.60 to 1.48 (m, 6 OH, CH 3 -CO)
Herstellung der ProbekörperPreparation of the specimens
Zur Überprüfung der Biokompatibilität wurden Probekörper hergestellt. Mischungen wurden jeweils wie in Tabelle 1 angegeben bereitet. Mischungen 1-4 wurden analog der Literatur bereitet. Als Photoinitiator diente in allen Fällen 1 % einer 1:1 molaren Mischung aus Campherchinon, Dimethylaminobenoesäureethylester bereitet .To test the biocompatibility, specimens were prepared. Mixtures were each prepared as indicated in Table 1. Mixtures 1-4 were prepared analogously to the literature. The photoinitiator used in all cases was 1% of a 1: 1 molar mixture of camphor quinone and ethyl dimethylaminobenzoate.
Tabelle 1: MischungenTable 1: Mixtures
Nr Vernetzer Comonomer Füllstoff LösungsmittelNo crosslinker comonomer filler solvent
1 99% PEGM3 - - -1 99% PEGM 3 - - -
21 6, 7£ 5 PEGM3 10% PEO 82 , 3% PBS7 2 1 6, 7 £ 5 PEGM 3 10% PEO 82, 3% PBS 7
32 99% E2-L20-M - - -3 2 99% E2-L20-M - - -
42 99% E8-L20-M - - -4 2 99% E8-L20-M - - -
5 30% GMl* 50% AEEE4 19% HA-T6 -5 30% GMl * 50% AEEE 4 19% HA-T 6 -
6 30% GM2 50% AEEE4 19% HA-T6 -6 30% GM2 50% AEEE 4 19% HA-T 6 -
7 30% GM2 50% DPA5 19% HA-T6 -7 30% GM2 50% DPA 5 19% HA-T 6 -
8 30% GM 3 50% -AEEE4 19% HA-T6 -8 30% GM 3 50% AEEE 4 19% HA-T 6 -
9 30% GM3 50% DPA5 19% HA-T6 -9 30% GM3 50% DPA 5 19% HA-T 6 -
1 Dhariwala et al. Tissue Engineering, 10, 2004, 1316-1322 1 Dhariwala et al. Tissue Engineering, 10, 2004, 1316-1322
2 Kristi S. Anseth et al, J. Polym. Sei. A 39, 2001, 683-692 2 Kristi S. Anseth et al, J. Polym. Be. A 39, 2001, 683-692
3 PEG 400-Dimethacrylat , 3 PEG 400 dimethacrylate,
4 Acrylsäure (2- (2-ethoxy) ethoxy) ethylester (AEEE) 4 acrylic acid (2- (2-ethoxy) ethoxy) ethyl ester (AEEE)
5 Diisopropylacrylamid (DPA) 5 diisopropylacrylamide (DPA)
6 1:1 Mischung aus Hydroxyapatit und Tricalciumphosphat (HA-T) 7 PBS Puffer: 10 mM Natrium/Kaliumphosphat-Puffer pH 7,2, 0,8% NaCl und 0,02% KCl. 6 1: 1 mixture of hydroxyapatite and tricalcium phosphate (HA-T) 7 PBS buffer: 10 mM sodium / potassium phosphate buffer pH 7.2, 0.8% NaCl and 0.02% KCl.
Die Mischungen wurden in eine Silikonform gegossen und unter Stickstoffatmosphäre auf einer UV-Anlage ausgehärtet. Die erhaltenen Probekörper wurden zur Entfernung von Restmonomer mit organischen Lösungsmitteln und Wasser im Ultraschallbad extrahiert. Die extrahierten Polymerformen wurden durch Bestrahlung mit UV-Licht sterilisiert.The mixtures were poured into a silicone mold and cured under nitrogen atmosphere on a UV system. The resulting test pieces were extracted to remove residual monomer with organic solvents and water in an ultrasonic bath. The extracted polymer forms were sterilized by irradiation with UV light.
Prüfung auf BiokompatibilitätCheck for biocompatibility
Für die Prüfung auf Biokompatibilität wurden Osteoblasten- ähnliche Zellen mit der Bezeichnung MC3T3-E1 verwendet. Die adhärenten Zellen wurden zunächst mit Pronase voneinander und vom Boden der Petrischale gelöst. Anschließend wurden sie mit frisch bereitetem Nährmedium vermischt und auf die einzelnen Probekörper im Multiwell gleichmäßig verteilt. Das Nährmedium bestand aus kommerziell erhältlichem Dulbecco' s Modified Eagle's Medium (DMEM, dieses enthält ursprünglich 1000 mg/1 Glucose und wurde mit weiterer Glucose bis zu einer Konzentration von 4500 mg/1 versetzt) , das mit 10% FCS (fetal cow serum) , 30 μg/ml Gentamycin (Breitbandantibiotikum) , L-Glutamin und Ascorbinsäure versetzt wurde .For biocompatibility testing, osteoblast-like cells called MC3T3-E1 were used. The adherent cells were first detached from each other with pronase and from the bottom of the Petri dish. They were then mixed with freshly prepared nutrient medium and distributed evenly on the individual test specimens in the multiwell. The nutrient medium consisted of commercially available Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM, which originally contained 1000 mg / l glucose and was supplemented with further glucose up to a concentration of 4500 mg / l) supplemented with 10% FCS (fetal cow serum). , 30 μg / ml gentamycin (broad spectrum antibiotic), L-glutamine and ascorbic acid.
Das Multiwell mit den Zellen wurde bei 370C inkubiert. Mittels Mikroskop konnte beobachtet werden, ob die Zellen überleben und anhaften können. Falls nach 2 Wochen Kultivierung lebende Zellen vorhanden waren, wurden diese mit einer Lösung von 4% Paraformaldehyd und 0,5% Triton in PBS fixiert, mehrmals mit PBS- Puffer7 gewaschen und mit einer Lösung von 4, 6-Diamidino-2- phenylindol (DAPI, 5 μg/ml) in PBS-Puffer7 gefärbt.The multiwell with the cells was incubated at 37 ° C. Using a microscope, it was possible to observe whether the cells can survive and adhere. If live cells were present after 2 weeks of culture, they were fixed with a solution of 4% paraformaldehyde and 0.5% Triton in PBS, washed several times with PBS buffer 7 and with a solution of 4, 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI, 5 μg / ml) in PBS buffer 7 .
Bioabbaubarkeitsstudien wurden bei 370C in PBS-Puffer bei einem pH von 7,0 durchgeführt. Der PBS-Puffer wurde in der ersten Woche alle 12 Stunden gewechselt, danach jeden 3. Tag um den pH- Wert konstant zu halten. Proben wurden nach 1, 3, 7, 21 und 30 Tagen genommen. Die mechanische Steifigkeit der Materialien wurde durch Bestimmung des E-Moduls mittels dynamisch mechanischer Analyse bestimmt. Entsprechende Werte für den E-Modul sind in der folgenden Tabelle abgegeben:Biodegradability studies were performed at 37 ° C. in PBS buffer at a pH of 7.0. The PBS buffer was changed every 12 hours in the first week, then every 3 days to keep the pH constant. Samples were taken after 1, 3, 7, 21 and 30 days. The mechanical stiffness of the materials was determined by determining the modulus of elasticity by means of dynamic mechanical Analysis determined. Corresponding values for the modulus of elasticity are given in the following table:
*) Mischung unverträglich, **) Probekörper zerfallen, +) lebende Zellen, ~) teilweise lebende Zellen, ++) viele anhaftende Zellen, ~~) einige anhaftende Zellen, — ) keine anhaftenden Zellen*) Mixture incompatible, **) specimens decay, +) living cells, ~) partially living cells, ++) many adherent cells, ~~) some adherent cells, -) no adherent cells
Wie aus der Tabelle hervorgeht, konnten mit den erfindungsgemäßen Formulierungen 6 bis 9 wesentlich höhere und dauerhafte Steifigkeitswerte und gleichzeitig eine ausgezeichnete Zellanhaftung im Vergleich zu den nach dem Stand der Technik hergestellten bekannten Polymeren 1-4 erzielt werden.As can be seen from the table, formulations 6 to 9 according to the invention were able to achieve substantially higher and permanent stiffness values and, at the same time, excellent cell adhesion in comparison to known polymers 1-4 prepared according to the prior art.
AbformenMolds
Zur Herstellung von zellularen Strukturen wurde die Abformtechnik angewandt. Für diese wurden einerseits Wachsformen (Solidscape Modelmaker) , andererseits organolösliche Polymerformen verwendet. Die Monomerformulierungen wurden mit 1% Benzoylperoxid und 0,07 bis 0,2% 4- (Dimethylamino) - benzoesäureethylester (DMAB) gemischt, in die entsprechende Form gefüllt und bei 45-750C über mehrere Stunden gehärtet. Die Entfernung der Wachsform erfolgte durch Lösen in Ethanol, die organolösliche Form wurde in einem 1:4 Gemisch aus n-Butylamin und Tetrahydrofuran entfernt. For the production of cellular structures, the impression technique was used. On the one hand wax forms (Solidscape Modelmaker), on the other hand organolösliche polymer forms were used for these. The monomer formulations were mixed with 1% benzoyl peroxide and 0.07 to 0.2% 4- (dimethylamino) - mixed benzoate (DMAB) filled in the corresponding mold and cured at 45-75 0 C for several hours. The wax form was removed by dissolving in ethanol, the organosoluble form was removed in a 1: 4 mixture of n-butylamine and tetrahydrofuran.

Claims

Patentansprüche claims
1. Eine durch Polymerisation aushärtbare Zusammensetzung umfassendClaims 1. A polymerization curable composition comprising
a) 10-80 Gew.-% eines reaktiven Verdünners auf Basis von Acrylsäure- bzw. Methacrylsäure-Derivaten,a) 10-80% by weight of a reactive diluent based on acrylic acid or methacrylic acid derivatives,
b) 10-50 Gew.-% eines flüssigen bzw. in der Formulierung löslichen Monomers der allgemeinen Formelb) 10-50% by weight of a liquid or formulation-soluble monomer of the general formula
worin n eine ganze Zahl zwischen 1 und 100 ist,wherein n is an integer between 1 and 100,
worin X für Wasserstoff oder R3 oder (C=O)-R3 mit R3 gleich einem linearen oder verzweigten Alkylrest mit 1-20 C-Atorαen, der durch ein oder mehrere Sauerstoffatome oder Estergruppen unterbrochen sein kann oder den Restwherein X is hydrogen or R 3 or (C = O) -R 3 with R 3 is a linear or branched alkyl radical having 1-20 C-Atorαen which may be interrupted by one or more oxygen atoms or ester groups or the rest
mit «R22 _= H oder -CH3 steht, with «R2 2 _ = H or -CH 3 ,
worin Z1 -O- (CHz)x-CO- , -O- (CH2-CH2. -O) X~CH2-CO-, -0- (CH2-CH2. -O) x- CO-CH2-CH2-CO-, -0- (CH2-CH2. -0) X-OC-CH=CH-CO- -0-CH2-CH (OH) -CH2-, oder -0-(CH2-CH2-O)X-CH2-CH(OH)-CH2- mit x = 1-20 bedeutet,wherein Z 1 is -O- (CHz) x -CO-, -O- (CH 2 -CH 2 -O.) X ~ CH 2 -CO-, -0- x (CH 2 -CH 2 -O.) - CO-CH 2 -CH 2 -CO-, -O- (CH 2 -CH 2. -O) X -OC-CH = CH-CO- -O-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -, or -O- (CH 2 -CH 2 -O) X -CH 2 -CH (OH) -CH 2 - where x = 1-20,
die Reste Y unabhängig voneinander für Wasserstoff, -CH3, -CH2- CH(CHs)2, -CH (CH3) -CH2-CH3, -CH2-COT, -CH2-CH2-COT, -CH2-OX, - (CH2) 4-NHX - (CH2) 3-NH-C(=NH) -NH2, -CH2SX, -CH(OX)-CH3, -CH2-CH2-S-CH3 , -CH2-C6H5, -CH2-C6H4-OX, -CH2-CONH2, -CH2-CH2-CONH2,the radicals Y independently of one another represent hydrogen, -CH 3 , -CH 2 -CH (CHs) 2 , -CH (CH 3 ) -CH 2 -CH 3 , -CH 2 -COT, -CH 2 -CH 2 -COT, -CH 2 -OX, - (CH 2 ) 4 -NHX - (CH 2 ) 3 -NH -C (= NH) -NH 2 , -CH 2 SX, -CH (OX) -CH 3 , -CH 2 -CH 2 -S-CH 3 , -CH 2 -C 6 H 5 , -CH 2 -C 6 H 4 -OX, -CH 2 -CONH 2 , -CH 2 -CH 2 -CONH 2 ,
oder or
stehen, worin X obige Bedeutung hat,in which X has the above meaning,
R1 Wasserstoff oder R3 oder (C=O)-R3 wobei R3 obige Bedeutung hat, oder R1 zusammen mit Y den Rest -(CH2) 3- oder -CH2-CH(OX)-CH2- bedeuten, worin X obige Bedeutung hat,R 1 is hydrogen or R 3 or (C = O) -R 3 where R 3 has the above meaning, or R 1 together with Y represents the radical - (CH 2 ) 3 - or -CH 2 -CH (OX) -CH 2 - in which X has the above meaning,
T für die Gruppe -OH oder OR3 oder den RestT for the group -OH or OR 3 or the rest
mit R2 = H oder -CH3 steht,with R 2 = H or -CH 3 ,
worin Z2 -0- (CH2) x-0- , -0- (CH2-CH2. -0) x -, -0-CH2-CH(OH)-CH2-O-, oder -0-CH2-CH(OH)-CH2-O-(CH2-CH2-O)X- mit x = 1-20 ist,wherein Z 2 is -0- (CH 2 ) x -O-, -O- (CH 2 -CH 2. -O) x -, -O-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -O-, or - 0-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -O- (CH 2 -CH 2 -O) X - where x = 1-20,
mit der Maßgabe, dass mindestens ein Rest X, Y oder T die Gruppewith the proviso that at least one of X, Y or T is the group
enthält. contains.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, die eine mit UV- bzw. sichtbarem Licht aushärtbare Zusammensetzung ist, enthaltend als Komponente b) 10-50 Gew.-% eines flüssigen bzw. in der Formulierung löslichen Monomers der allgemeinen Formel2. The composition of claim 1 which is a UV or visible light curable composition containing as Component b) 10-50% by weight of a liquid or formulation-soluble monomer of the general formula
worin n für eine ganze Zahl zwischen 1 und 100 ist,where n is an integer between 1 and 100,
worin X für Wasserstoff, den Restwhere X is hydrogen, the rest
mit τR>22 _= H oder -CH3 steht, with τR> 2 2 _ = H or -CH 3 ,
worin Z1 -O- (CH2) X-CO- , -O- (CH2-CH2. -O) X-CH2-CO-, -0-CH2-CH(OH)- CH2-, oder -0-(CH2-CH2-O)X-CH2-CH(OH)-CH2- mit x = 1-20 bedeutet,wherein Z 1 is -O- (CH 2) x -CO-, -O- (CH 2 -CH 2 -O.) X is -CH 2 -CO-, -0-CH 2 -CH (OH) - CH 2 - , or -O- (CH 2 -CH 2 -O) X- CH 2 -CH (OH) -CH 2 - where x = 1-20,
die Reste Y unabhängig voneinander für Wasserstoff, -CH3, -CH2- CH (CH3) 2,the radicals Y independently of one another represent hydrogen, -CH 3 , -CH 2 -CH (CH 3 ) 2 ,
-CH (CH3) -CH2-CH3, -CH2-COT, -CH2-CH2-COT, -CH2-OX, -(CH2J4-NHX - (CH2) 3-NH-C(=NH) -NH2, -CH2SX, -CH(OX)-CH3, -CH2-CH2-S-CH3 , -CH2-C6H5, -CH2-C6H4-OX, -CH2-CONH2, -CH2-CH2-CONH2,-CH (CH 3 ) -CH 2 -CH 3 , -CH 2 -COT, -CH 2 -CH 2 -COT, -CH 2 -OX, - (CH 2 J 4 -NHX - (CH 2 ) 3 -NH -C (= NH) -NH 2 , -CH 2 SX, -CH (OX) -CH 3 , -CH 2 -CH 2 -S-CH 3 , -CH 2 -C 6 H 5 , -CH 2 -C 6 H 4 -OX, -CH 2 -CONH 2 , -CH 2 -CH 2 -CONH 2 ,
oder or
stehen, worin X obige Bedeutung hat,in which X has the above meaning,
R1 Wasserstoff oder R1 zusammen mit Y den Rest - (CH2) 3- oder -CH2-CH(OX)-CH2- bedeuten, worin X obige Bedeutung hat, T für die Gruppe -OH oder den RestR 1 is hydrogen or R 1 together with Y is the radical - (CH 2 ) 3 - or -CH 2 -CH (OX) -CH 2 -, in which X has the above meaning, T for the group -OH or the rest
mit R2 = H oder -CH3 steht, with R 2 = H or -CH 3 ,
worin Z2 -O- (CH2) X-O- , -O- (CH2-CH2. -O) x -, -0-CH2-CH(OH)-CH2-O-, oder -0-CH2-CH(OH)-CH2-O-(CH2-CH2-O)X- mit x = 1-20 ist,wherein Z 2 is -O- (CH 2 ) X -O-, -O- (CH 2 -CH 2. -O) x -, -O-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -O-, or - 0-CH 2 -CH (OH) -CH 2 -O- (CH 2 -CH 2 -O) X - where x = 1-20,
mit der Maßgabe, dass mindestens ein Rest X, Y oder T die Gruppewith the proviso that at least one of X, Y or T is the group
enthält . contains.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bestandteil a) Acrylsäure (2- (2- ethoxy) ethoxy) ethylester, Diisopropylacrylamid,3. Composition according to claim 1 or 2, characterized in that as component a) acrylic acid (2- (2-ethoxy) ethoxy) ethyl ester, diisopropylacrylamide,
Diisobutylacrylamid, Acrylsäure-2- (butylcarbamoyloxy) ethylester, Hydroxyethylmethacrylat, Polyethylenglycoldiacrylat, und Trimethylolpropantriacrylat oder eines ihrer Gemische eingesetzt wird.Diisobutylacrylamide, acrylic acid 2- (butylcarbamoyloxy) ethyl ester, hydroxyethyl methacrylate, polyethylene glycol diacrylate, and trimethylolpropane triacrylate or one of their mixtures is used.
4. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil b) Aminosäuren ausgewählt aus Glycin, Arginin, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Alanin oder Prolin umfasst.4. Composition according to one of claims 1 to 3, characterized in that the component b) comprises amino acids selected from glycine, arginine, aspartic acid, glutamic acid, alanine or proline.
5. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil b) ein methacryloyliertes Gelatinehydrolysat umfasst. 5. The composition according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the component b) comprises a methacryloylated gelatin hydrolyzate.
6. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil b) Peptide mit der Sequenz Arginin-Glycin-Asparaginsäure (RGD) umfasst.6. Composition according to one of claims 1 to 5, characterized in that the component b) comprises peptides having the sequence arginine-glycine-aspartic acid (RGD).
7. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung 2-Hydroxy-l- [4- (2- hydroxyethoxy) phenyl] -2-methyl-l-propanon oder Phenylbis (2, 4, 6- trimethylbenzoyl) -phosphinoxid als Initiator umfasst.Composition according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that the composition comprises 2-hydroxy-1- [4- (2-hydroxyethoxy) phenyl] -2-methyl-1-propanone or phenylbis (2, 4, 6 trimethylbenzoyl) phosphine oxide as initiator.
8. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung Campherchinon als Initiator und Dimethylaininobenzoesäure, Dimethylanilin, Triethanolamin, und/oder Methyldiethanolamin als Coinitiator (en) umfasst .Composition according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that the composition comprises camphorquinone as initiator and dimethyl-aminobenzoic acid, dimethylaniline, triethanolamine and / or methyldiethanolamine as coinitiator (s).
9. Zusammensetzung nach nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend Hydroxyapatit, Tricalciumphosphat , Knochenmehl oder Keratinfasern als Füllstoff.9. A composition according to any one of claims 1 to 8 comprising hydroxyapatite, tricalcium phosphate, bone meal or keratin fibers as a filler.
10. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile der Zusammensetzung in organischen Lösungsmitteln gelöst sind mit einem Wasseranteil < 10%, bevorzugt < 1%, am meisten bevorzugt < 0,1%.10. The composition according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the components of the composition are dissolved in organic solvents with a water content of <10%, preferably <1%, most preferably <0.1%.
11. Verfahren zur Herstellung eines Polymerisats umfassend die Polymerisation der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.11. A process for producing a polymer comprising the polymerization of the composition according to any one of claims 1 to 10.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerisat ein Formkörper ist, der bevorzugt entweder durch Polymerisation der Zusammensetzung in einer Form oder durch Rapid-Prototyping geformt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that the polymer is a shaped body, which is preferably formed either by polymerization of the composition in a mold or by rapid prototyping.
13. Formkörper bestehend aus der polymerisierten Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Formkörper einen E- Modulus größer 500 MPa aufweist. 13. Shaped body consisting of the polymerized composition according to any one of claims 1 to 10, wherein the shaped body has an E modulus greater than 500 MPa.
14. Formkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Forrαkörper einen E-Modulus größer als 1000 MPa, bevorzugt größer als 1500 MPa, insbesondere größer als 2000 MPa, speziell bevorzugt größer als 5000 MPa, am meisten bevorzugt größer als 10000 MPa aufweist.14. Shaped body according to claim 13, characterized in that the Forrαkörper an E modulus greater than 1000 MPa, preferably greater than 1500 MPa, in particular greater than 2000 MPa, more preferably greater than 5000 MPa, most preferably greater than 10000 MPa.
15. Formkörper nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper eine zelluläre Struktur mit einem Porendurchmesser von zwischen 150 μm und 500 μm aufweist.15. Shaped body according to claim 13 or 14, characterized in that the shaped body has a cellular structure with a pore diameter of between 150 microns and 500 microns.
16. Formkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Formkörpers durch Hydroxylapatit-Beschichtung modifiziert ist.16. Shaped body according to one of claims 13 to 15, characterized in that the surface of the shaped body is modified by hydroxyapatite coating.
17. Formkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Formkörpers durch kovalent gebundene Proteine, Peptide, Aminosäuren oder Oligonukleotide modifiziert ist.17. Shaped body according to one of claims 13 to 15, characterized in that the surface of the shaped body is modified by covalently bonded proteins, peptides, amino acids or oligonucleotides.
18. Formkörper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Proteine Knochen-Morphogenische-Proteine, Cytokinen, Wachstumsfaktoren und Zell-Differenzierungsfaktoren, Kollagene oder Kollagenfragmente sind.18. Shaped body according to claim 17, characterized in that the proteins are bone morphogenetic proteins, cytokines, growth factors and cell differentiation factors, collagens or collagen fragments.
19. Formkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 18 zur medizinischen Anwendung, insbesondere als Knochenersatzmittel.19. Shaped body according to one of claims 13 to 18 for medical use, in particular as a bone substitute.
20. Formkörper nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die medizinische Anwendung eine Behandlung von Knochenschäden ist, insbesondere Tumor-bedingte Knochenaushöhlungen.20. Shaped body according to claim 19, characterized in that the medical application is a treatment of bone damage, in particular tumor-related Knochenaushöhlungen.
21. Verwendung eines Formkörpers nach einem der Ansprüche 13 bis 20 zur Herstellung eines Implantats zur Behandlung von Knochenschäden . 21. Use of a molding according to any one of claims 13 to 20 for the preparation of an implant for the treatment of bone damage.
EP06721201A 2005-04-14 2006-04-10 Polymerized molded body Withdrawn EP1869093A1 (en)

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