DE102011012480A1

DE102011012480A1 - Photovernetzende Elastomere für Rapid Prototyping

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Publication number: DE102011012480A1
Application number: DE102011012480A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Krüger; Wolfdietrich Meyer; Michael Wegener; Careen Graf; Oliver Refle; Elke Bremus-Köbberling; Sascha Engelhardt; Christian Schuh; Melanie Dettling; Esther Novosel; Kirsten Borchers; Günter Tovar
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-08-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer zwei- oder dreidimensionalen Struktur, die bevorzugt biokompatibel und biofunktionalisiert ist, die so hergestellte zwei- oder dreidimensionale Struktur und eine Vorrichtung zur Herstellung dieser zwei- oder dreidimensionalen Struktur.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer zwei- oder dreidimensionalen Struktur, die bevorzugt biokompatibel und biofunktionalisiert ist, die so hergestellte zwei- oder dreidimensionale Struktur und eine Vorrichtung zur Herstellung dieser zwei- oder dreidimensionalen Struktur.
In Deutschland und anderen Industrienationen hat sich die Lebenserwartung in den letzten 150 Jahren enorm erhöht, wobei gleichzeitig der Anspruch an die Leistungsfähigkeit und das Wohlbefinden bis ins hohe Alter gestiegen ist. Häufig sind dafür medizinische Transplantate und Implantate notwendig. Mit dem Fortschritt der Transplantationsmedizin wächst auch der Bedarf an lebenswichtigen Geweben und Organen für Transplantationen. Die Anzahl der Spendergewebe und -organe stagniert allerdings seit Jahren, so dass viele Patienten lange Wartezeiten hinnehmen müssen oder sogar versterben, bevor sie ein geeignetes Spendergewebe erhalten. Diesem Mangel an verfügbaren Geweben will die Zukunftstechnologie „Tissue Engineering” (Gewebekonstruktion) entgegenwirken mit ihrem Ziel, funktionelle Gewebe und Organe in vitro – also künstlich extrakorporal – herzustellen.
Erste Versuche, in vitro hergestellte Gewebe für den klinischen Einsatz zu nutzen, sind bislang nur für Knorpelgewebe und Hautgewebe realisiert (beispielsweise: M. Kremer et al., British Journal of Plastic Surgery, 2000, 53; A. Lindahl et al., Novartis Found Symp, 2003, 249, 175–186). Beide Transplantate benötigen kein Blutgefäßsystem zur Aufzucht: Knorpel ist ein Gewebe, das auch im Organismus nicht durchblutet wird und die derzeitig sehr einfach aufgebauten Hauttransplantate bestehen nur aus wenigen Zell-Lagen und werden so durch Diffusionsvorgänge ausreichend versorgt.
Die Sauerstoff-Versorgung der Zeilen in einem Gewebeverbund kann maximal über eine Distanz von 150 μm bis 200 μm durch Diffusion erfolgen (C. K. Colton, Cell Transplantation, 1995, 4). Das bedeutet, dass jeder Kubikmillimeter Gewebe durch mindestens ein Kapillargefäß versorgt sein muss, welches sauerstoff- und nährstoffreiches Blut führt. Die Versorgung der Gewebe mit Blutgefäßen gilt heute als eines der zentralen, ungelösten Probleme auf dem Weg zur Zucht funktionstüchtiger, dreidimensionaler Gewebe. Die aktuelle Forschung auf dem Gebiet des „Tissue Engineering” befasst sich daher bisher schwerpunktmäßig mit denjenigen Vorgängen im Gewebe, die zur Neubildung und Aussprossung von natürlichen Blutgefäßen führen. Zur direkten Zucht von Gewebeersatz mit natürlichem Gefäßsystem werden derzeit verschiedene Ansätze verfolgt (M. W. Laschke et al., Tissue Engineering, 2006, 12 (8), 2093–2104), die bisher aber nicht zur Ausbildung stabiler funktionstüchtiger Gefäßstrukturen geführt haben.
Gefäßprothesen aus den Kunststoffen PET (Polyethylenterephthalat; Dacron^®) oder PTFE (Polytetrafluorethylen) beispielsweise werden erfolgreich für Gefäß-Bypass-Operationen eingesetzt. Sie funktionieren aber aufgrund ihrer zu geringen Nachgiebigkeit nicht als Gefäßersatz mit Durchmessern kleiner 3 mm (H. J. Salacinski et al., J Biomater Appl, 2001, 15 (3), 241–278; S. Sarkar et al., European Journal of Vascular and Endovascular Surgery, 2006, 31 (6), 627–636).
Es existieren verschiedene Ansätze, Gefäße dieser Größe mittels Tissue Engineering herzustellen (M. J. B. Wissink und J. Feen, NATO Science Series, II: Mathematics, Physics and Chemistry, 2002, 86 (Polymer Based Systems an Tissue Engineering, Replacement and Regeneration), 391–405). Außerdem werden im Hinblick auf Gefäßersatz ECM-Proteine (ECM = Extrazelluläre Matrix) beispielsweise mittels Elektrospinnen oder Gefriertrodnung zu porösen Materialien verarbeitet (L. Buttafoco et al., Biomaterials, 2006, 27 (11), 2380–2389). In einem weiteren Ansatz werden Muskelzellen auf biologisch abbaubaren Polymerröhrchen kultiviert, die bei ihrem Wachstum ein ECM-Geflecht von Proteinen absondern, welche einen Gefäßschlauch nach und nach aufbauen. Nach Abbau des Polymerröhrchens und chemischer Ablösung der Zellen verbleibt der Gefäßschlauch aus Proteinen, welcher aufgrund seiner Zellfreiheit keine Immunreaktionen hervorruft und außerdem in Pufferlösung lagerfähig ist (S. Dahl et al., Science Translational Medicine, 3 (68), 68ra9). Beide Wege sind, da sie auf der Gewinnung biologischer Materialien basieren, zeit- und kostenaufwändige Verfahren.
Die Übertragung von Informationen bildgebender Verfahren aus der Medizin wie der Computertomographie in computergestützte CAD-Modelle und dessen Einsatz in der Prototypenherstellung ist beispielsweise in allgemeiner Form in WO 2001/085040 beschrieben.
Die Herstellung großvolumiger Teile von mehreren Kubikzentimetern Größe, die zudem über sehr feine Strukturierungen oder Strukturunterbereiche im Mikro- und Submikrometerbereich verfügen, wie es bei verästelten Blutgefäßen erforderlich ist, stellt eine verfahrenstechnische Herausforderung dar. Sollen derartige Teile überdies möglichst in einstückiger Bauform und mit einer hohen Formfreiheit hergestellt werden, so bieten sich für ein derartiges technisches Vorhaben bevorzugt oder letztlich ausschließlich Techniken auf dem Gebiet generativer Herstellverfahren an.
In diesem Zusammenhang ist ein laserbasiertes Aufbauverfahren gemäß dem Stereolithographie-Verfahren, kurz SL-Verfahren, bekannt, bei dem ein in einer Arbeitsebene flächig als Schicht aufgetragener, lichtaushärtender Kunststoff von einem Laser ortsselektiv ausgehärtet wird. Die Prozedur erfolgt in einem Bad, welches mit einem flüssigen oder pastösen Basismonomer des lichtempfindlichen Kunststoffes gefüllt ist. Die sich aufgrund der Initiierung mit Laserlicht ortsselektiv ausbildenden Strukturbereiche in der Arbeitsebene (entspricht einer definierten Höhe in dem Basismonomer-Bad, die unter anderem von der Intensität des Laserlichts und Lichtdurchlässigkeit des Basismonomer abhängt) werden in einem nächsten Schritt um den Betrag einer Schichtstärke nach unten in das Bad verfahren, so dass sich erneut eine Kunststoffschicht über den verfestigten Strukturbereichen innerhalb der Arbeitsebene ausbilden kann. Unter Zugrundelegung von CAD-Daten, die die Form der herzustellenden Struktur beschreiben, wird der Laserstrahl kontrolliert durch bewegliche Spiegel längs der Arbeitsebene bewegt, so dass sich die belichteten Kunststoffschichtbereiche verfestigen und sich mit den darunterliegenden bereits verfestigen Strukturen einstückig verbinden. Diese Prozessabfolge wird schritt- bzw. schichtweise solange wiederholt bis eine dreidimensionale Struktur entsteht. Beispielsweise ist aus der DE 100 24 618 A1 ein derartiges stereolithographisches Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Gegenstände bekannt, in dem flüssige bis gelartige Silikonkautschuke mit IR-Laser bestrahlt werden.
Die US 2009/0224438 beschreibt die schichtweise Prozessierung von 3D-Objekten mittels SL-Verfahren mit UV- oder Vis-Licht photovernetzenden Materialien.
SL-Verfahren zeigen den Nachteil auf, dass nur ein einziges photovernetzbares Material für den Aufbau einer dreidimensionalen Struktur verwendet werden kann. Hinzu kommt, dass die Strukturauflösung, das heißt die Strukturgrößendimensionierung, begrenzt ist, so dass Mikro- und vor allem Submikrometerstrukturen auf diese Weise nicht herstellbar sind. Auch sind Grenzen hinsichtlich der elastischen Struktureigenschaften gesetzt, zumal die mit dem SL-Verfahren verarbeitbaren im Stand der Technik bekannte Kunststoffmaterialien über formstabile und damit gering elastische Eigenschaften verfügen.
Eine weitere Verfahrensvariante für die Herstellung einstückiger Strukturen oder Bauteile mittels generativer Herstellungsverfahren stellt die so genannte 3D-Drucktechnik dar (beispielsweise US 6,658,314 B1 ), die unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher Materialien ein Fertigen dreidimensionaler Teile mit beinahe unbegrenzter Geometriefreiheit erlaubt, so dass beispielsweise Elastizitäten ortselektiv eingestellt werden können. Durch die einstöckige Herstellung der Strukturen kann auf ein späteres Fügen von Einzelteilen zur Herstellung komplexer Strukturen verzichtet werden.
Die in den oben genannten Verfahren, insbesondere SL-Verfahren oder 3D-Druckverfahren, im Stand der Technik eingesetzten photovernetzbaren Materialien weisen den Nachteil auf, dass sie nicht universell, d. h. in einem beliebigen Verfahren zur Herstellung einer zwei- oder dreidimensionalen Struktur einsetzbar sind. Sie müssen jeweils den Anforderungen eines bestimmten Verfahren angepasst werden, so dass der Einsatz in jeweils anderen Verfahren zur Herstellung von zwei- oder dreidimensionalen Strukturen nicht möglich ist.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem liegt daher darin, die vorgenannten Nachteile zu überwinden, insbesondere Verfahren zur Herstellung zwei- oder dreidimensionaler Strukturen bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile überwinden. Insbesondere sollen derartige Verfahren unter Einsatz photovernetzbarer Materialien bereitgestellt werden, wobei diese Materialien universell in unterschiedlichen, elektromagnetische Strahlung zur Photovernetzung der Materialien nutzenden – teilweise an sich bekannten – Verfahren zur Herstellung einer zwei- oder dreidimensionalen Struktur verwendet werden können, ohne dass eine spezifische Anpassung dieser photovernetzbaren Materialien an die zu erfüllenden Voraussetzungen des jeweiligen speziellen Verfahrens erfolgen muss.
Dieses technische Problem wurde durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß wird das technische Problem durch ein Verfahren zur Herstellung einer zwei- oder dreidimensionalen Struktur auf einem Substrat gelöst, das mindestens folgende Schritte, insbesondere folgende Verfahrensfolge, umfasst; vorzugsweise aus diesen Schritten besteht:

a) Aufbringen mindestens eines photovernetzbaren Materials auf das Substrat und
b) Fixieren des mindestens einen in Schritt a) aufgebrachten photovernetzbaren Materials durch elektromagnetische Strahlung,

i) mindestens eine polymere Vernetzer-Komponente mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Acrylat, Methacrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Urethanacrylat, Urethanmethacrylat, Ureaacrylat und Ureamethacrylat und
ii) mindestens eine Photoinitiator-Komponente.

Erfindungsgemäß wird durch die Verfahrensfolge der Schritte a) und b) mindestens eine Schicht der zwei- oder dreidimensionalen Struktur hergestellt, wobei zunächst in einem Schritt a) das photovernetzbare Material, umfassend mindestens eine polymere Vernetzer-Komponente und mindestens eine Photoinitiator-Komponente, auf das Substrat aufgebracht, das insbesondere stützend und/oder modellierend während der Herstellung der zwei- oder dreidimensionalen Struktur wirkt, und wobei in einem Schritt b) das aufgebrachte photovernetzbare Material durch elektromagnetische Strahlung fixiert wird. In Schritt b) reagiert zumindest ein Teil; insbesondere im Wesentlichen alle, vorzugsweise alle der photovernetzbaren Gruppen des photovernetzbaren Materials miteinander, wodurch ein photovernetztes Material erhalten wird. Die Fixierung in Schritt b) findet dergestalt statt, dass durch die elektromagnetische Strahlung die in dem photovernetzbaren Material vorhandene Photoinitiator-Komponente, insbesondere zur Spaltung, angeregt wird, um eine photo-initiierte Polymerisierungsreaktion der photovernetzbaren Gruppen des photovernetzbaren Materials zu starten. Durch diese kontrollierte Kettenreaktion wird zumindest ein Teil, bevorzugt im Wesentlichen alle, vorzugsweise alle der in den elektromagnetisch bestrahlten Bereichen liegenden photovernetzbaren Gruppen umgesetzt.
Die Abfolge der Verfahrensschritte a) und b) führt zur Bildung einer fixierten Schicht des aufgebrachten Materials. Die erfindungsgemäß bevorzugte wiederholte Abfolge der Verfahrensschritte a) und b) führt zur Bildung einer entsprechenden Zahl von fixierten Schichten.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das photovernetzbare Material durch die elektromagnetische Strahlung innerhalb einer in Schritt a) aufgebrachten Schicht in allen drei Raumrichtungen x, y und z, also dreidimensional, flächig oder ortsselektiv, insbesondere ortsselektiv, fixiert. Bevorzugt entsteht durch eine Verfahrensfolge der Schritte a) und b) eine zwei- oder dreidimensionale Substruktur innerhalb einer Schicht.
Das Aufbringen des photovernetzbaren Materials in Schritt a) erfolgt entweder flächig oder ortsselektiv, wobei das darauffolgende Fixieren in Schritt b) des photovernetzbaren Materials zu einem photovernetzten Material durch eine elektromagnetische Strahlung erfolgt, die in bevorzugter Ausführungsform insbesondere auf die in dem photovernetzbaren Material enthaltenen Photoinitiator-Komponente abgestimmt ist und darüber hinaus eine ortsselektive oder flächige Bestrahlung gewährleistet. Mit Hilfe der Verfahrensfolge der Schritte a) und b) wird eine Schicht der zwei- oder dreidimensionalen Struktur aufgebaut. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt durch ein-, mehr- oder vielmalige Wiederholung der Verfahrensfolge a) und b) zwei, mehrere oder viele Schichten bereitzustellen. Bei jeder weiteren Verfahrensfolge der Schritte a) und b) erfolgt demgemäß eine Erstellung einer weiteren Schicht, die sich kovalent mit dem bereits photovernetzten Material verbindet. In bevorzugter Ausführungsform verbinden sich photovernetzbaren Materialien mit unterschiedlichen Photoempfindlichkeiten.
Die erfindungsgemäß eingesetzten photovernetzbaren Materialien sind in verschiedenen an sich bekannten Verfahren zur Herstellung einer zwei- oder dreidimensionalen Struktur, beispielsweise SL-Verfahren, 3D-Druck-Verfahren und MPP-Verfahren (MPP = Multiphotonenprozesse) in bevorzugter Ausführungsform universell einsetzbar, dass heißt ohne dass in bevorzugter Ausführungsform wesentliche weitere oder weitere Anpassungen für die einzelnen Verfahren notwendig sind. Die erfindungsgemäß hergestellte zwei- oder dreidimensionale Struktur weist vorzugsweise gewünschte Polymereigenschaften für beispielsweise Implantate auf.
Die erfindungsgemäß eingesetzten photovernetzbaren Materialien zeichnen sich insbesondere durch eine geeignete Oberflächenspannung und Viskosität, insbesondere durch eine Viskosität von weniger als 200 mPa·s, insbesondere weniger als 80 mPa·s, besonders bevorzugt weniger als 40 mPa·s, aus. Diese Viskosität kann insbesondere durch Lösungsmittel, insbesondere; durch einen Reaktivverdünner, mit einem Anteil von weniger als 51% erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Oberflächenspannung des photovernetzbaren Materials weniger als 80 mN/m, insbesondere weniger als 70 mN/m, insbesondere weniger als 35 mN/m.
Des Weiteren weisen die photovernetzbaren Materialien bevorzugt die für die Verfahren zur Herstellung einer zwei- oder dreidimensionalen Struktur, insbesondere für SL-Verfahren, 3D-Druck-Verfahren und MPP-Verfahren, erforderliche, insbesondere hohe, Lichttransparenz für die Aushärtungswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und eine ausreichende Aushärtungsgeschwindigkeit auf. Die Lichttransparenz liegt dabei bevorzugt im VIS-NIR-Bereich oder UV-Bereich. Insbesondere wird die elektromagnetische Strahlung zusätzlich durch die photovernetzbaren Materialien absorbiert.
Das photovernetzbare Material verfügt hinsichtlich seiner Photovernetzbarkeit über ausreichende Vernetzungsgrade, ist selektiv durch die elektromagnetische Strahlung fixierbar und reagiert bevorzugt selektiv auf eine bevorzugt vorgesehene flächige und ortsaufgelöste Vernetzung. Des Weiteren genügt das photovernetzbare Material insbesondere den Anforderungen der 3D-Druckverfahren, beispielsweise InkJet-Drucken, hinsichtlich der einzuhaltenden Viskosität, des Verlaufsverhalten und der Druckstabilität.
Die vorliegende Erfindung setzt als eine Komponente des photovernetzbaren Materials mindestens eine Photoinitiator-Komponente ein. Die Photoinitiator-Komponente ermöglicht eine möglichst effektive und selektive Fixierung des photovernetzbaren Materials, insbesondere in Kombination mit einer hinreichend schnellen Aushärtungsgeschwindigkeit des photovernetzbaren Materials. Die erfindungsgemäß eingesetzte Photoinitiator-Komponente weist insbesondere einen hohen Photonenabsorptionsquerschnitt, insbesondere einen hohen Zwei-Photonenabsorptionsquerschnitt im VIS-NIR, und bevorzugt eine hohe Quantenausbeute auf.
In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „flächig”, insbesondere einem flächigen Aufbringen eines photovernetzbaren Materials oder einem flächigen Fixieren eines aufgebrachten photovernetzbaren Materials verstanden, dass das Aufbringen des Materials oder die fixierende Strahlung gleichmäßig über die gesamte zu beschichtende oder fixierende Materialschicht erfolgt. Demgemäß kann ein flächiger Auftrag eines Materials oder ein flächiges Einwirken der Strahlung zur Ausbildung von dreidimensional ausgebildeten beziehungsweise fixierten Schichten führen. Insbesondere aufgrund des flächigen Materialauftrags beziehungsweise flächigen Einwirkens der Strahlung wird das photovernetzbare Material gleichmäßig aufgebracht beziehungsweise fixiert.
In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff ortsselektiv”, insbesondere einem ortsselektiven Aufbringen eines photovernetzbaren Materials oder einem ortsselektiven Fixieren eines aufgebrachten photovernetzbaren Materials verstanden, dass das Aufbringen des Material oder die fixierende Strahlung nicht gleichmäßig über die gesamte aufgetragene Materialschicht erfolgt.
Unter dem Begriffpolymere Vernetzer-Komponente mit mindestens zwei endständigen photovernetzbaren Gruppen” ist ein unverzweigtes oder mindestens einfach verzweigtes Polymer oder Oligomer zu verstehen, an dem die mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen derart kovalent verbunden sind, dass sie zur Fixierung durch die elektromagnetische Strahlung in Schritt b) zur Verfügung stehen. Die polymere Vernetzer-Komponente weist funktionelle Gruppen auf, an denen die photovernetzbaren Gruppen kovalent gebunden sind. Bevorzugt findet diese kovalente Bindung zwischen der polymeren Vernetzer-Komponente und den photovernetzbaren Gruppen über eine Ester- oder Amidbindung statt. Als „polymere Vernetzer-Komponente” wird die Komponente bezeichnet, an der die photovernetzbaren Gruppen kovalent gebunden sind.
Unter dem Begriff „zweidimensionale Struktur” wird in einem dreidimensionalen Raum mit den Raumachsen x-y-z eine Struktur mit Kantenlängen x'-y'-z' entlang der Raumachsen verstanden, bei der die Lange der kürzesten Kante von x' und y' einer durch die Kanten x' und y' aufgespannten Fläche deutlich größer als die Kantenlänge z' ist, vorzugsweise um den Faktor 5, vorzugsweise 10, vorzugsweise 20, vorzugsweise 30, vorzugsweise 40, vorzugsweise 50, vorzugsweise 100, vorzugsweise 1000, bevorzugt 10000. Der Begriff „zweidimensionale Struktur” bedeutet demgemäß nicht, dass keine räumliche Ausdehnung in Richtung der dritten Dimension erfolgt. Bevorzugt weist die zweidimensionale Struktur in Richtung der dritten Dimension 1 bis 50 Schichten auf, insbesondere 1 bis 40 Schichten, bevorzugt 1 bis 20 Schichten, bevorzugt 1 bis 10 Schichten und besonders bevorzugt 5 bis 10 Schichten auf. Beispielsweise werden als zweidimensionale Strukturen Membranen, Vliese, hautähnliche Implantate und Netze verstanden.
Unter dem Begriff „kurzkettige Vernetzer-Komponente mit mindestens drei endständigen photovernetzbaren Gruppen” ist ein verzweigtes mehrfach funktionalisiertes Molekül zu verstehen, das bevorzugt eine maximale Kettenlänge pro Verzweigung von 10, bevorzugt 8, bevorzugt 6, aufweist. Die mindestens drei photovernetzbaren Gruppen sind derart mit diesem Molekül kovalent verbunden, dass sie zur Fixierung durch die elektromagnetische Strahlung in Schritt b) zur Verfügung stehen. Die kurzkettige Vernetzer-Komponente weist funktionelle Gruppen auf, an denen die photovernetzbaren Gruppen kovalent gebunden sind. Bevorzugt findet diese kovalente Bindung zwischen der kurzkettigen Vernetzer-Komponente und den photovernetzbaren Gruppen über eine Ester- oder Amidbindung statt. Als „kurzkettige Vernetzer-Komponente” wird die Komponente bezeichnet, an der die photovernetzbaren Gruppen kovalent gebunden sind.
Unter dem Begriff „niedrig-viskose Modifikatorkomponente” wird eine Komponente verstanden, die bevorzugt eine Molmasse von weniger als 1000 g/mol und die Viskosität des photovernetzbaren Materials derart anpasst, so dass ein Viskositätsbereich gewährleistet ist, der zur universellen Anwendung der photovernetzbaren Materialien in den Verfahren zur Herstellung. von zwei- oder dreidimensionalen Strukturen gewährleistet.
Bevorzugt weisen die niedrig viskose Modifikatorkomponente und/oder die polymere und/oder kurzkettige Vernetzer-Komponente, weitere nicht-photovernetzbare funktionelle Gruppen auf, die nicht kovalent, insbesondere gar nicht, an die photovernetzbaren Gruppen binden können und damit für Kopplungsreaktionen, insbesondere mit biofunktionellen Komponenten, zur Verfügung stehen. Diese nicht-photovernetzbaren funktionellen Gruppen sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hydroxy-, Cyanat-, Isocyanat-, Amino-, Imino-, Alken-, Alkin-, Carboxygruppe, bevorzugt Carboxygruppe.
Unter dem Begriff „Arbeitsebene” wird die Ebene verstanden, in der die in Schritt b) durchgeführte Fixierung durch die elektromagnetische Strahlung erfolgt. Vorzugsweise verläuft diese Ebene planar, im Wesentlichen planar, gewölbt oder im Wesentlichen gewölbt.
Unter dem Begriff „Verfahrensfolge der Schritte a) und b)” wird verstanden, dass zunächst das photovernetzbare Material in einem Schritt a) aufgebracht wird, entweder ortsselektiv oder flächig, und in einem Schritt b) das in Schritt a) aufgebrachte photovernetzbare Material flächig oder ortsselektiv fixiert wird, wobei vorzugsweise wenn Schritt a) ortsselektiv erfolgt, Schritt b) flächig oder wenn Schritt a) flächig erfolgt, Schritt b) ortsselektiv erfolgt.
Unter dem Begriff „photovernetzbare Materialien mit unterschiedlicher Photoempflndlichkeit” ist zu verstehen, dass die photovernetzbaren Materialien eine Photoinitiatorkomponente mit unterschiedlicher Photoempfindlichkeit aufweisen.
Die zwei- oder dreidimensionale Struktur wird als „biokompatibel” eingestuft, wenn nach 24 Stunden in einer zu untersuchenden Zellkultur mindestens 20%, bevorzugt mindestens 50%, bevorzugt mindestens 60%, bevorzugt mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80% der Viabilität einer Vergleichszellkultur erreicht wird. Die Vergleichszellkultur weist die gleichen Zellen wie die zu untersuchenden Zellkultur auf. Lediglich hinsichtlich des Kultivierungsmediums unterscheiden sich beide Zellkulturen. Die zu untersuchende Zellkultur weist ein Kultivierungsmedium auf, das dadurch erhalten wird, dass das auf seine Biokompalibilität zu untersuchende photovernetzte Material in einem auch für die Vergleichszellkultur verwendetem Kultivierungsmedium 24 Stunden gelagert wird. Die Viabilität (WST-Wert) wird bevorzugt mittels eines WST-1 Proliferationsassays bestimmt. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Zelltypen verwendet, bevorzugt Endothelzellen, bevorzugt Chondrozyten.
Die in Schritt b) verwendete elektromagnetische Strahlung richtet sich in bevorzugter Ausführungsform nach den Anforderungen des in Schritt b) durchgeführten Fixierens. Die elektromagnetische Strahlung in Schritt b) muss die in dem photovernetzbaren Material verwendeten Photoinitiatoren selektiv anregen können, um so gezielt die Fixierung des photovernetzbaren Materials zu gewährleisten. Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Strahlungsintensität der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit davon einzustellen, ob eine Fixierung flächig oder ortsselektiv, insbesondere über Zwei- oder Mehrphotonenprozesse, erfolgt. Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, die ortsselektive Fixierung mit Hilfe von Laserlicht, also lasergestützt, durchzuführen. Die flächige Fixierung findet bevorzugt mit Hilfe von UV-Licht statt, wobei bevorzugt der Spektralbereich an die Erfordernisse des durchgeführten Verfahrens oder an die Photoinitiator-Komponente angepasst wird. Insbesondere liegt der Spektralbereich bei 250 bis 500 nm. Als Quelle für das UV-Licht werden bevorzugt UV-Strahler, insbesondere mit eingeschränktem Spektralbereich, oder LED's (Leuchtdioden) verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die polymere Vernetzer-Komponente zwei, drei, vier, fünf oder mehr als 50, bevorzugt mehr als 70, bevorzugt mehr als 100, photovernetzbare Gruppen auf.
In einer bevorzugten Ausführungsfom der vorliegenden Erfindung weist die polymere Vernetzer-Komponente zwei oder drei photovernetzbare Gruppen auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das photovernetzbare Material mindestens 2, mindestens 3, mindestens 4 oder mindestens 5 unterschiedliche polymere Vernetzer-Komponenten mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die polymere Vernetzer-Komponente mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen eine Molmasse von 300 bis 3000 g/mol auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die polymere Vernetzer-Komponente mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen ein alpha,omega-Hydroxyoligomer, ein alpha,omega-Aminooligomer und/oder ein alpha-Hydroxy-omega-aminooligomer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die polymere Vernetzer-Komponente aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus Polyethylenglykol (PEG), Polypropylenglykol (PPG), Siloxane, Polytetrahydrofuran (PTHF), Bisphenol-A-ethoxylat (BPA-(EO)), Co-Block-Polyether davon, Biopolymere und modifizierte Biopolymere.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die polymere Vernetzer-Komponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenglykol (PEG), Polypropylenglykol (PPG), Polytetrahydrofuran (PTHF), Bisphenol-A-ethoxylat (EPA-(EO)), Co-Block-Polyether davon, Biopolymere und modifizierte Biopolymere.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die polymere Vernetzer-Komponente mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PTHF(1400)-Diacrylat, PTHF(2000)-Diacrylat, PTHF(2900)-Diacrylat, PPG(2000)-Diacrylat, PPG(2300)-Diurethan-methacrylat und PTHF(1600)-Diurethan-methacrylat. Die in Klammern stehenden Zahlen geben das durchschnittliche Molekulargewicht der polymeren Vernetzer-Komponente an.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Biopolymer, auch biologisches Makromolekül genannt, aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus Proteine, Polysaccharide, Glucosaminglykane und Derivate davon.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist des Protein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Albumin, Kollagene, Gelatine und Fibronektin.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als photovernetzbares Material ein negative Ladungen aufweisendes modifiziertes Biopolymer, insbesondere Heparinsulfat, verwendet. Durch diese negativen Ladungen werden bevorzugt Wachstumsfaktoren, Analoga, Fragmente und/oder Derivate davon ionisch, insbesondere temporär, gebunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Wachstumsfaktor ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor), FGF (Fibroblast Growth Factor), PDGF (Platelet Derived Growth Factor), Pleitrophin, PIGF (Placenta Growth Factor), HGF/SF (Hepatocyte Growth Factor/Scatter Factor) und Midkine.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polysaccharid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cellulose, Stärke und Glycogen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Glukosaminglykan ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hyaluronsäure, Chondroitinsulfat, Dermatansulfat, Heparinsulfat und Heparin.
In einer besonderen Ausführungsform wird ein Teil der photovernetzbaren Gruppen in dem mindestens einen photovernetzbaren Material in Schritt b) nicht umgesetzt, insbesondere 1 bis 60%, insbesondere 10 bis 50%, insbesondere 20 bis 40% der eingesetzten photovernetzbaren Gruppen.
Die nicht umgesetzten oder nicht fixierten photovernetzbaren Gruppen der photovernetzten Struktur stehen insbesondere zur weiteren Oberflächenfunktionalisierung und/oder Biofunktionalisierung zur Verfügung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das photovernetzbare oder photovernetzte Material, z. B. auch ein als polymere Vernetzer-Komponente eingesetztes modifiziertes oder nicht modifiziertes Biopolymer, mit mindestens einer biofunktionellen Komponente funktionalisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die mindestens eine biofunktionelle Komponente direkt oder indirekt mit dem photovernetzbaren oder photovernetzten Material verbunden.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung in bevorzugter Ausführungsform vor, dass das photovernetzbare Material vor dem Fixieren mit einer biofunktionellen Komponente, insbesondere vor dem Aufbringen, funktionalisiert wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die mindestens eine biofunktionelle Komponente nach dem Fixieren des photovernetzbaren Materials eingebracht wird, dass heißt an die Oberfläche des photovernetzten Materials kovalent oder nicht-kovalent gebunden wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die nicht umgesetzten, photovernetzbaren Gruppen mit mindestens einer biofunktionellen Komponente funktionalisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die nicht-photovernetzbaren, funktionellen Gruppen der miedrig-viskosen Modifikatorkomponente und/oder kurzkettigen und/oder polymeren Vernetzer-Komponente mit mindestens einer biofunktionellen Komponente funktionalisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt diese Biofunktionalisierung über eine Amidbindung, wobei zur deren Bildung bevorzugt Carbodiimid als Reaktionsvermittler verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Biofunktionalisierung der zwei- oder dreidimensionalen Struktur durch gezielten Einbau biofunktioneller Komponenten in die zwei- oder dreidimensionale Struktur, insbesondere durch das Biofunktionalisieren des photovernetzbaren Materials vor dem Fixieren des photovernetzbaren Materials in Schritt b) oder an die nicht umgesetzten Doppelbindungen und/oder an die nicht-photovernetzbaren funktionellen Gruppen des photovernetzten Materials. In beiden Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das zu biofunktionalisierende Material, also das photovernetzte oder photovernetzbare Material, selbst ein Biopolymer oder ein modifiziertes Biopolymer ist bzw. umfasst. Das zu biofunktionalisierende Material kann insbesondere die polymere Vernetzer-Komponente oder die kurzkettige Vernetzer-Komponente sein. Die Biofunktionalisierung ist besonders bevorzugt bei der Verwendung der zwei- oder dreidimensionalen Struktur in biologischer oder medizinischer Verwendung, z. B. insbesondere als Aderersatzmaterial, z. B. um zelladhärente, proliferationsfördernde und/oder antithrombogene Eigenschaften auf die zwei- oder dreidimensionale Struktur zu übertragen. Die antithromogenen Eigenschaften der zwei- oder dreidimensionalen Struktur werden bevorzugt insbesondere über die sequenzielle Anbindung von modifiziertem Heparin, insbesondere Heparinsulfat, erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die biofunktionelle Komponente, die zur Biofunktionalisierung der photovernetzten Materials eingesetzt wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Proteinen wie Glycoproteinen, Wachstumsfaktoren oder Antikörper, Peptidsequenzen, Polysaccharide, Glykosaminglykane, Nucleinsäuren, Aptamere und Derivate davon sowie Kombinationen davon.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die als biofunktionelle Komponente charakterisierten Biopolymere oder modifizierten Biopolymere auch als polymere Vernetzer-Komponenten des photovernetzbaren Materials eingesetzt werden können. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die als Biopolymere oder modifizierte Biopolymere aufgeführten polymeren Vernetzer-Komponenten des photovernetzbaren Materials auch als biofunktionelle Komponenten eingesetzt werden können zur Biofunktionalisierung des photovernetzten oder photovernetzbaren Materials, insbesondere der polymeren oder kurzkettigen Vernetzer-Komponente, insbesondere wenn die polymere Vernetzer-Komponente als Biopolymer oder modifiziertes Biopolymer ausgeführt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Schritt a) acrylierte Gelatine als polymere Vernetzer-Komponente mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen verwendet. Die nach Schritt b) photovernetzte Struktur enthält dadurch Anknüpfungsstellen für Integrin als Rezeptor zur Anbindung von Zellen.
Bevorzugt erfolgt die Biofunktionalisierung nach dem Herstellen einer photovernetzten Struktur und der Entfernung des Substrats und cytotoxischer Stoffe wie der Photoinitiator-Komponente und/oder der Stützstruktur durch Nachbehandlung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das photovernetzbare oder photovernetzte, bevorzugt das photovernetzte Material, bevorzugt über eine Michael-Addition, mit organischen primären Aminen, Gelatine und/oder Thioheparinsulfat funktionalisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mit Thiolgruppen modifizierte Biopolymere, insbesondere Proteine wie Kollagen, Gelatine und Fibronektin oder Polysaccharide wie Cellulose, Stärke, Glycogen, Hyaluronsäure, Chondroitinsulfat, Heparinsulfat und Heparin, insbesondere Heparinsulfat, an die nicht umgesetzten Doppelbindungen der zwei- oder dreidimensionalen Struktur, insbesondere an die Oberfläche dieser Struktur, über eine Thiol-En-Michael-Addition kovalent gebunden. Diese Biofunktionalisierung erfolgt bevorzugt nach jeder Verfahrensfolge der Schritte a) und b).
In bevorzugter Ausführungsform wird abwechselnd die Michael-Addition und die Verfahrensfolge der Schritte a) und b) durchgeführt In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nicht alle Thiolgruppen des modifizierten Biopolymers über die Thiol-En-Michael-Addition umgesetzt. Bevorzugt werden in einem weiteren Schritt diese nicht umgesetzten Thiolgruppen zumindest teilweise mit bevorzugt Acrylat-modifizierten Biopolymeren, insbesondere Proteine wie Kollagen, Gelatine und Fibronektin oder Polysaccharide wie Cellulose, Stärke, Glycogen, Hyaluronsäure, Chondroitinsulfat, Heparinsulfat und Heparin, insbesondere Heparinsulfat, über eine Thiol-En-Michael-Addition umgesetzt. Die bevorzugt alternierende Umsetzung der hergestellten photovernetzten Struktur mit Thiol-modifizierten Biopolymeren und Acrylat-modifizierten Biopolymeren wird bevorzugt so oft wiederholt, bis die Oberfläche der zwei- oder dreidimensionalen Struktur das modifizierte Biopolymer im gewünschten Anteil beziehungsweise Bedeckungsgrad enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das für die biofunktionelle Komponente verwendete Protein ein Strukturprotein wie Kollagen und/oder ein denaturiertes Protein wie Gelatine.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das für die biofunktionelle Komponente verwendete Glykosamingylkan Heparin, Heparinsulfat, Chondroitinsulfat und/oder Keratansulfat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden, insbesondere in der äußersten Schicht der zwei- oder dreidimensionalen Struktur, biofunktionelle Komponenten, zum Beispiel Adhäsionsanker, insbesondere Cys-RGD (Cystein-Arginin-Glycin-Aspartat), kovalent, insbesondere über eine Thiol-En-Michael-Addition oder durch oxidative Bildung von Disulfidbrücken, gebunden, bevorzugt zur stabilen Adhäsion von Zellen an die Oberfläche der zwei- oder dreidimensionalen Struktur, bevorzugt zur vollständigen Endotheliarisierung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die biofunktionelle Komponente indirekt über Nanopartikel mit dem photovernetzbaren oder photovernetzten Material verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Nanopartikel molekülspezifische Erkennungsstellen auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die biofunktionelle Komponente kovalent oder nicht-kovalent an die Nanopartikel gebunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Nanopartikel in ihrem Inneren die biofunktionelle Komponente auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Nanopartikel in ihrem Inneren Hohlräume auf, wobei in den Hohlräumen die biofunktionelle Komponente vorliegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Nanopartikel ein polymeres Matrixmaterial auf, wobei die biofunktionelle Komponente mit dem polymeren Matrixmaterial vermischt und gegebenenfalls ionisch gebunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die verkapselte, biofunktionelle Komponente durch Auflösen des Nanopartikels in einem Lösungsmittel, bevorzugt Wasser, freigesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Nanopartikel aus miteinander kovalent oder nicht-kovalent vernetzten biofunktionellen Komponenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Nanopartikel an ihrer Oberfläche molekülspezifische Erkennungsstellen auf, an die in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die biofunktionelle Komponente kovalent oder nicht-kovalent an Nanopartikel gebunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die mindestens eine biofunktionelle Komponente mindestens eine funktionelle Gruppe auf, mit der die biofunktionelle Komponente mit den Nanopartikeln verbunden ist, insbesondere mit den molekülspezifischen Erkennungsstellen der Nanopartikel.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Bindung der biofunktionelle Komponente mit der mindestens einer funktionellen Gruppe an die molekülspezifischen Erkennungsstellen der Nanopartikel, an dem erste funktionelle Gruppen aufweisende molekülspezifische Erkennungsstellen der Nanopartikel mit die ersten funktionellen Gruppen bindenden, komplementären zweiten funktionellen Gruppen aufweisenden biofunktionellen Komponenten derart in Kontakt gebracht werden, dass kovalente und/oder nicht-kovalente Bindungen zwischen den funktionellen Gruppen der molekülspezifischen Erkennungsstellen und der biofunktionellen Komponenten erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die ersten funktionellen Gruppen und die die ersten funktionellen Gruppen bindenden komplementären zweiten funktionellen Gruppen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aktivester, Alkylketongruppe, Aldehydgruppe, Aminogruppe, Carboxygruppe, Epoxygruppe, Maleinimidogruppe, Hydazingruppe, Hydrazidgruppe, Thiolgruppe, Thioestergruppe, Oligohistidingruppe, Strep-Tag I, Strep-Tag II, Desthiobiotin, Biotin, Chitin, Chitinderivate, Chitinbindedomäne, Metallchelatkomplex, Streptavidin, Streptactin, Avidin und Neutravidin.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine biokompatible Struktur hergestellt, wobei die polymere Vernetzer-Komponente in einer Menge von 5 bis 80 Masse-%, insbesondere 5 bis 30 Masse-%, und die mindestens eine Photoinitiator-Komponente in einer Menge von 0,2 bis 4 Masse-%, vorzugsweise 0,5 bis 1 Masse-%, bevorzugt weniger als 0,5 Masse-% vorliegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das photovernetzbare Material zusätzlich mindestens eine kurzkettige Vernetzer-Komponente mit mindestens drei photovernetzbaren Gruppen auf, die aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Acrylat, Methacrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Urethanacrylat, Urethanmethacrylat, Ureaacrylat und Ureamethacrylat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die kurzkettige Vernetzer-Komponente aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus kurzkettigen polyfunktionalen Alkoholen und kurzkettigen polyfunktionalen Aminen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die kurzkettige Vernetzer-Komponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Trimethylolpropanpropoxylat, Glycerolpropoxylat, Trimethylolpropan und Di(trimethylolpropan).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die kurzkettige Vernetzer-Komponente mit mindestens drei photovernetzbaren Gruppen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Trimethylolpropan-triacrylat, Pentaerythrit-triacrylat, Trimethylolpropanpropoxylat-triacrylat, Glycerolpropoxylat-triacrylat, Trimethylolpropan-trimethacrylat, Di(trimethylolpropan)-tetraacrylat und Pentaerythrit-tetraacrylat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das photovernetzbare Material zusätzlich mindestens eine niedrig-viskose Modifikatorkomponente mit einer photovernetzbaren Gruppe auf, die aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Acrylat, Methacrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Urethanacrylat, Urethanmethacrylat, Ureaacrylat und Ureamethacrylat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die niedrig-viskose Modifikatorkomponente Laurylacrylat und/oder Isobornylacrylat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das photovernetzbare Material zusätzlich mindestens eine Verdünner-Komponente auf. Die Verdünner-Komponente ist ein wässriges oder organisches Lösungsmittel, das bevorzugt einen hohen Dampfdruck besitzt. Der hohe Dampfdruck des wässrigen oder organischen Lösungsmittels dient zur teilweise oder kompletten, schnellen Verflüchtigung vor der Aushärtung des in Schritt b) photovernetzten Materials.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Photoinitiator-Komponente aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus alpha-Hydroxyketone, alpha-Morpholino-ketone, Phosphinoxide, Campherchinone, N,N,N',N'-substituierte Benzidine, dreifach arylsubstituierte Amine und Diynone.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Photoinitiator-Komponente aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus 1-Hydroxycyclohexylphenylketon, 4-(2-Hydroxyethoxy)phenyl-(2-hydroxy-2-propyl)keton, Phenyl-bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphinoxid, 2-Hydroxy-2-methyyl-phenylpropan-1-on, 2-Methyl-1-(4-(methylthio)phenyl]-2-morpholinpropan-1-on, N⁴,N^4'-bis(3-methoxyphenyl)-N⁴,N^4'-diphenyl-4,4'-diaminobiphenyl und 1,5-Diphenyl-1,4-divn-3-on.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die zur ortsselektiven Fixierung verwendeten photovernetzbaren Materialien mindestens eine Photoinitiator-Komponente auf, die aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus 1-Hydroxycyclohexylphenylketon, 4-(2-Hydroxyethoxy)phenyl(2-hydroxy-2-propyl)keton und N⁴,N^4'-bis(3-methoxyphenyl-N⁴,N^4'-diphenyl-4,4'-diaminobiphenyl.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das photovernetzbare Material eine Photoinitiator-Komponente auf, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 1-Hydroxy-Cyclohexylphenylketon, 4-(2-Hydroxyethoxy)phenyl-(2-hydroxy-2-propyl)keton, Phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phoshinoxid, 2-Methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-morpholinpropan-1-on, N⁴,N^4'-bis(3-Methoxyphenyl)-N⁴,N^4'-diphenyl-4,4'-diaminobiphenyl und 1,5-Diphenyl-1,4-diyn-3-on. Diese vorgenannten Photoinitiator-Komponenten sind besonders bevorzugt zur Herstellung einer biokompartiblen zwei- oder dreidimensionalen Struktur verwendbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das photovernetzbare Material zusätzlich mindestens eine Stabilisator-Komponente auf, der aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Hydrochinone und Monomethyletherhydrochinone, vorzugsweise in einer Menge von weniger als 500 ppm, bevorzugt weniger als 200 ppm, bevorzugt weniger als 100 ppm (bezogen auf die Stoffmenge der in dem photovernetzbaren Material vorhandenen Komponenten). Die Beimengung einer Stabilisator-Komponente verhindert bevorzugt spontane oder thermisch unkontrollierte Polymerisationen des photovernetzbaren Materials.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das photovernetzbare Material mindestens eine polymere Vernetzer-Komponente mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen, eine kurzkettige Vernetzer-Komponente mit mindestens drei photovernetzbaren Gruppen, eine niedrig-viskose Modifikatorkomponente mit einer photovernetzbaren Gruppe, mindestens eine Photoinitiatorkomponente, eine Komponente zur Biofunktionalisierung und ein wässriges oder organisches Lösungsmittel auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das photovernetzbare Material zusätzlich eine Absorberkomponente, welche, insbesondere für SL-Verfahren, die Strukturauflösung in Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hier als erste Verfahrensfolge bezeichnet, erfolgt in Schritt a) das Aufbringen des mindestens einen photovernetzbaren Materials auf das Substrat ortsselektiv und das in Schritt b) durchgeführte Fixieren des mindestens einen in Schritt a) photovernetzbaren Materials durch elektromagnetische Strahlung flächig.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hier als zweite Verfahrensfolge bezeichnet, erfolgt in Schritt a) das Aufbringen des mindestens einen photovernetzbaren Materials auf das Substrat flächig und das in Schritt b) durchgeführte Fixieren des mindestens einen in Schritt a) aufgebrachten photovernetzbaren Materials durch elektromagnetische Strahlung ortsselektiv.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hier als dritte Verfahrensfolge bezeichnet, erfolgt in Schritt a) das Aufbringen des mindestens einen photovernetzbaren Materials auf das Substrat flächig und das in Schritt b) durchgeführte Fixieren des mindestens einen in Schritt a) aufgebrachten photovernetzbaren Materials durch elektromagnetische Strahlung flächig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hier als vierte Verfahrensfolge bezeichnet, erfolgt in Schritt a) das Aufbringen des mindestens einen photovernetzbaren Materials auf das Substrat ortsselektiv und das in Schritt b) durchgeführte Fixieren des mindestens einen in Schritt a) aufgebrachten photovernetzbaren Materials durch elektromagnetische Strahlung ortsselektiv.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verfahrensfolge der Schritte a) und b) mindestens zweimal, vorzugsweise mindestens 500 mal, vorzugsweise mindestens 1000 mal, vorzugsweise 2- bis 600 mal, insbesondere 400- bis 600 mal, bevorzugt 500 mal durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren so durchgeführt, dass eine, zwei, drei oder alle vier der vorgenannten Verfahrensfolgen allein oder in Kombination miteinander durchgeführt werden, wobei jede einzelne der unterschiedlichen Verfahrensfolgen ein-, mehrmals oder vielmals durchgeführt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass zumindest zwei der vorgenannten Verfahrensfolgen ausgewählt aus der Gruppe der ersten, zweiten, dritten und vierten Verfahrensfolge miteinander kombiniert durchgeführt werden, wobei jede einzelne der unterschiedlichen Verfahrensfolgen ein-, mehrmals oder vielmals durchgeführt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in einer ersten Verfahrensfolge in Schritt a) ortsselektiv wenigstens ein erstes photovernetzbares Material auf das Substrat aufgebracht und in einem Schritt b) dieses flächig durch elektromagnetische Strahlung fixiert, insbesondere zur Herstellung einer Zentimeter oder Millimeter großen, also makroskopischen Struktur, und anschließend in einer zweiten Verfahrensfolge in einem Schritt a) flächig wenigstens ein zweites photovernetzbares Material auf das Substrat aufgebracht und in einem Schritt b) dieses ortsselektiv durch elektromagnetischen Strahlung fixiert, insbesondere zur Herstellung einer mikro- oder submikrometergroßen Unterstruktur.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die erste Verfahrensfolge der Schritte a) und b) mindestens zweimal, vorzugsweise mindestens 500 mal, vorzugsweise mindestens 1000 mal, vorzugsweise 2 bis 600 mal, insbesondere 400 bis 600 mal, insbesondere 500 mal und die zweite Verfahrensfolge der Schritte a) und b) zusätzlich mindestens 2 mal, vorzugsweise mindestens 500 mal, vorzugsweise mindestens 1000 mal, vorzugsweise 2 bis 600 mal, insbesondere 400 bis 600 mal, insbesondere 500 mal durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Verfahrensfolge der Schritte a) und b) jeweils abwechselnd mit der zweiten Verfahrensfolge der Schritte a) und b) durchgeführt.
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass in den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen, im Rahmen derer eine erste und eine zweite Verfahrensfolge miteinander kombiniert durchgeführt werden, zusätzlich zumindest eine dritte und/oder zumindest eine vierte Verfahrensfolge durchgeführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass innerhalb einer Verfahrensfolge, insbesondere innerhalb des Verfahrensschritts a) zwei oder mehr unterschiedliche photovernetzbare Materialien, insbesondere ortsselektiv, aufgebracht und anschließend in Schritt b) fixiert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in einer ersten Verfahrensfolge der Schritte a) und b) ein photovernetzbares Material eingesetzt, das sich von einem in einer zweiten Verfahrensfolge der Schritte a) und b) eingesetzten photovernetzbaren Material unterscheidet, insbesondere hinsichtlich ihrer Photoempfindlichkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in der Verfahrensfolge der Schritte a) und b) mindestens zwei verschiedene photovernetzbare Materialien mit unterschiedlichen Photoempfindlichkeiten eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in der Verfahrensfolge der Schritte a) und b) mindestens ein photovernetzbares Material und mindestens ein nicht-photovernetzbares Stützmaterial eingesetzt. Das nicht-photovernetzbares Stützmaterial bildet eine Stützstruktur aus.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in der ersten Verfahrensfolge der Schritte a) und b), insbesondere in Kombination mit der zweiten Verfahrensfolge der Schritte a) und b), mindestens zwei verschiedene photovernetzbare Materialien mit unterschiedlichen Photoempfindlichkeiten eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Substrat ein steifes oder flexibles Substrat verwendet, insbesondere kann das Substrat aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Substrat eine Plastikfolie, Plastikfilm, Membran, Glas, Metall, Halbmetall, Vlies oder Papier sein, vorzugsweise aus biokompatiblem, insbesondere bioabbaubarem Material.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Substrat im Anschluss an Schritt b), vorzugsweise nach Abschluss einer wiederholten Durchführung der Verfahrensfolgen a) und b), von der erhaltenen zwei- oder, dreidimensionalen Struktur abgetrennt, insbesondere durch chemischen, physikalischen oder biologischen Abbau.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bleibt des Substrat im Anschluss an Schritt b), vorzugsweise nach Abschluss einer wiederholten Durchführung der Verfahrensfolgen a) und b), Teil der hergestellten Struktur und wird so zum integralen Bestandteil der zwei- oder dreidimensionalen Struktur.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Biokompatibilität durch spezielle Waschprotokolle bereitgestellt.
Insbesondere wird mit polaren und/oder unpolaren organischen Lösungsmitteln und wässrigen Pufferlösungen gewaschen. Insbesondere wird fünf Tage lang täglich mit je 3 ml 70%igem Ethanol (bezogen auf eine Materialoberfläche von 7 cm²) gewaschen. Insbesondere wird das photovernetzte Material während dieses Waschvorgangs bei Raumtemperatur auf einem Schüttler inkubiert. Nach dem Waschvorgang mit Ethanol wird insbesondere zwei Tage lang im Vakuum getrocknet. Nach dem Trocknen wird insbesondere dreimal mit einem PBS-Puffer (PBS = Phosphat buffered saline) gewaschen.
Das erfindungsgemäße Problem wird des Weiteren durch eine zwei- oder dreidimensionale Struktur herstellbar gemäß einem der erfindungsgemäßen Verfahren gelöst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die zwei- oder dreidimensionale Struktur ein E-Modul (Elastizitäts-Modul von 0,1 bis 100 MPa, bevorzugt 1 bis 40 MPa, bevorzugt 1 bis 20 MPa, bevorzugt 0,5 bis 10 MPa auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform; der vorliegenden Erfindung weist die zwei- oder dreidimensionale Struktur eine Quellbarkeit in Wasser von 1 bis 700%, bevorzugt 300 bis 700%, bevorzugt 1 bis 500%, bevorzugt 1 bis 100%, bevorzugt 1 bis 10%, insbesondere 0,5 bis 5% auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die zwei- oder dreidimensionale Struktur eine Zugfestigkeit (Sigma) von 0,01 bis 10 MPa, bevorzugt 0,1 bis 1 MPa auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die auf der nicht biofunktionalisierten zwei- oder dreidimensionalen Struktur kultivierte Zellen (je nach Anwendung verschiedener Zelltypen) nach 48 Stunden eine Konfluenz von mindestens 10%, bevorzugt mindestens 50%, bevorzugt mindestens 80% auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die auf der biofunktionalisierten zwei- oder dreidimensionalem Struktur kultivierten Zellen (je nach Anwendung verschiedener Zelltypen) nach 48 Stunden eine Konfluenz von mindestens 50%, bevorzugt mindestens 60%, bevorzugt mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zwei- oder dreidimensionale Struktur eine Matrix für die Besiedelung mit Zellen zur Herstellung eines in vitro oder in vivo Gewebes, eines Organteils oder Organteil-Äquivalents, eines Organs oder Organ-Äquivalents, eines Transplantats, eines Implantats, eines Gefäßes, eines Gefäßsystems, eines Hohlorgans oder eines Teils eines Hohlorgans, eines Zellkultursubstrats, porösen oder nicht-porösen Transportsystemen, porösen oder nicht-porösen Röhrensystemen, porösen oder nicht-porösen Schläuchen, einer Membran, eines diagnostisches Systems oder eines chirurgischen Gerätes, insbesondere eines Endoskops, oder Teiles davon.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zwei- oder dreidimensionale Struktur ein in vitro oder in vivo Gewebe, ein Organteil oder Organteil-Äquivalent, ein Organ oder Organ-Äquivalent, ein Transplantat, ein Implantat, ein Gefäß, ein Gefäßsystem, ein Hohlorgan oder ein Teil eines Hohlorgans, ein Zellkultursubstrat, poröse oder nicht-poröse Transportsysteme, poröse oder nicht-poröse Röhrensysteme, poröse oder nicht-poröse Schläuche, eine Membran, ein diagnostisches System oder ein chirurgisches Gerät, insbesondere ein Endoskop, oder Teil davon.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Gefäß oder das Gefäßsystem ein Blutgefäß wie eine Arterie, Vene oder Kapillare, ein Lymphgefäß wie Lymphkapillaren, Kollektoren, Lymphstämme, ein Speichel- oder Tränengang oder ein weiterer Gang für ein Drüsensekret wie Galle, Milch oder Sperma.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Hohlorgan eine Speiseröhre, ein Magen-Darm-Trakt, eine Gallenblase, eine Luftröhre, ein Herz, ein Eileiter, ein Samenleiter, ein Harnleiter, eine Harnblase oder eine Harnröhre.
Die erfindungsgemäße zwei- oder dreidimensionale Struktur eignet sich bevorzugt für die Verwendung als vaskuläres System. Die zwei- oder dreidimensionale Struktur zeichnet sich daher bevorzugt durch ihre Biokompatibilität, ihre möglichst vollständige Aushärtung zur Vermeidung toxischer monomerer Bestandteile, die Anwesenheit möglichst geringer Photoinitiatormengen mit geringer oder völlig fehlender Toxizität, die Realisierung ausreichender elastischer Eigenschaften im ausgehärteten Material, eine ausreichende mechanische und biologische Langzeitstabilität und eine biofunktionale oder biofunktionalisierbare Oberfläche aus.
Das erfindungsgemäße Problem wird bevorzugt auch durch eine Vorrichtung zur schichtweisen Herstellung von 3D-Strukturen mit einer Druckkopfanordnung gelöst, die relativ zur Arbeitsebene kontrolliert positionierbar ist, und mit wenigstens zwei Reservoirbehältern verbunden ist, in denen flüssige bis pastöse photovernetzbare Materialien mit jeweils unterschiedlichen Photoempfindlichkeiten bevorratet sind, die jeweils über die Druckkopfanordnung in den Bereich der Arbeitsebene ortsselektiv aufbringbar sind, sowie mit einer Strahlungsquellenanordnung, die elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit der Photoempfindlichkeit des ortsselektiv auf die Arbeitsebene aufgebrachten photovernetzbaren Materials flächig emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellenanordnung wenigstens eine Laserlichtquelle umfasst, deren Laserstrahl mithilfe optischer Strahlablenk- und Fokussiermittel in einen Bereich einer auf die Arbeitsebene mittels der Druckkopfanordnung flächig ausbringbaren photovernetzbaren Materialschicht fokussierbar ist und im Fokusbereich innerhalb der photovernetzbaren Materialschicht zwei Photonen- oder Mehrphotonprozesse, die zur ortsselektiven Verfestigung des photovernetzbaren Materials führen, initiiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung von 3D-Strukturen mit einer Druckkopfanordnung bereitgestellt, aus der flüssiges bis pastöses photovernetzbares Material, insbesondere der vorliegenden Erfindung, mit jeweils unterschiedlichen Photoempfindlichkeiten auf einer Arbeitsfläche dosiert aufgebracht wird und das jeweils mit einer an die Photoempfindlichkeit des auf die Arbeitsebene aufgebrachten photovernetzbaren Materials, insbesondere der vorliegenden Erfindung, abgestimmte elektromagnetische Strahlung flächig beleuchtet wird, wobei sich das ausgebrachte photovernetzbare Material verfestigt, und wobei zur Ausbildung einer makroskopischen Struktur aus der Druckkopfanordnung ortsselektiv wenigstens ein erstes photovernetzbares Materials, insbesondere der vorliegenden Erfindung, als Strukturmaterial auf die Arbeitsfläche ausgebracht wird, das zu Zwecken der Materialverfestigung flächig mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, und das einstückig mit der makroskopischen Struktur verbunden zur Ausbildung einer mikro- oder submikrometergroßen Unterstruktur aus der Druckkopfanordnung flächig wenigstens ein zweites photovernetzbares Material, insbesondere der vorliegenden Erfindung, unter Ausbildung einer photovernetzbaren Materialschicht auf die Arbeitsebene aufgebracht wird, die ortsselektiv mit einer fokussierten elektromagnetischen Strahlung derart bestrahlt wird, dass im Fokusbereich innerhalb der photovernetzbaren Materialsschicht Zweiphotonen- oder Mehrphotonenprozesse, die zur ortsselektiven Verfestigung des zweiten photovernetzbaren Materials führen, initiiert werden.
Bevorzugt geht die erfindungsgemäße Vorrichtung von einer an sich bekannten Vorrichtung zur schichtweisen Herstellung von 3D-Strukturen aus, die zur Durchführung der eingangs erläuterten 3D-Drucktechnik ausgebildet ist. So ist bevorzugt eine Druckkopfanordnung vorgesehen, die relativ zu einer Arbeitsebene kontrolliert positionierbar ist und mit wenigstens zwei Reservoirbehältern verbunden ist, in denen flüssiges bis pastöses photovernetzbares Material, insbesondere der vorliegenden Erfindung, mit jeweils unterschiedlichen Photoempfindlichkeiten bevorratet ist. Über die Druckkopfanordnung ist bevorzugt das jeweilige photovernetzbare Material, insbesondere der vorliegenden Erfindung, in den Bereich der Arbeitsebene ortsselektiv ausbringbar. Mit Hilfe einer Strahlungsquellenanordnung, die elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit der Photoempfindlichkeit des ortsselektiv auf die Arbeitsebene ausgebrachten photovernetzbaren Materials flächig emittiert, wird schließlich das ortsselektiv ausgebrachte Material, insbesondere der vorliegenden Erfindung, verfestigt. Bevorzugt umfasst die Strahlungsquellenanordnung wenigstens eine Laserlichtquelle, deren Laserstrahl mithilfe optischer Strahlablenk- und Fokussiermittel in einen Bereich einer auf die Arbeitsebene mittels der Druckkopfanordnung flächig ausbringbaren photovernetzbaren Materialschicht fokussierbar ist und im Fokusbereich innerhalb der photovernetzbaren Materialschicht Zweiphotonen- oder Mehrphotonenprozesse, die zur ortsselektiven Verfestigung des photovernetzbaren Materials führen, initiiert.
Bevorzugt vereint diese bevorzugte Vorrichtung somit die Vorteile und vermeidet die Nachteile, die jeweils mit der bekannten 3D-Drucktechnik sowie dem MPP-Verfahren verbunden sind. Ferner überwindet diese Vorrichtung die Unterschiedlichkeit beider einzelnen Verfahrensvarianten. So werden bei dem herkömmlichen 3D-Druckverfahren die Materialien ortsselektiv aufgetragen, danach erfolgt eine flächige Bestrahlung der Arbeitsebene mit den darauf ortsselektiv aufgebrachten Strukturen. Demgegenüber geht das herkömmliche MPP-Verfahren von einem vollflächigen Bad aus flüssigem photovernetzbarem Material auf der Arbeitsebene aus, wohingegen die Verfestigung des photovernetzbaren Materials durch ortsselektive Bestrahlung erfolgt.
In der bevorzugten Vorrichtung vermag die Druckkopfanordnung neben einem ortsselektiven Materialaustrag durch entsprechende an der Druckkopfanordnung vorgesehene einzelne Druckkopfdüsen auch einen Austrag von photovernetztbarem Material zu realisieren, das unter Ausbildung einer flächigen Schicht mit einer einheitlichen Schichtdicke und einer planaren Schichtoberfläche auf die Arbeitsebene ausbringbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Druckkopfanordnung wenigstens zwei, insbesondere eine Vielzahl, insbesondere 50 bis 200 Druckdüsen auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Druckkopfanordnung sieht diese eine Vielzahl längs einer Linie angeordnete Druckdüsen vor, durch die das jeweils photovernetzbare Material gleichmäßig verteilt ausbringbar ist. Während des Materialaustrages wird die Druckkopfanordnung vorzugsweise orthogonal zur linienhaften Anordnung der einzelnen Druckdüsen relativ zur Arbeitsebene bewegt. Mit Hilfe einer derart ausgebildeten Druckkopfanordnung ist es möglich, auf die Bevorratung eines im flüssigen Zustand befindlichen photovernetzbaren Materials innerhalb eines Bades, wie dies für die herkömmliche Ausführung von MPP-basierten mikrostrukturierten Polymerisationsprozessen der Fall ist, zu verzichten und stattdessen innerhalb der mittels 3D-Drucktechnik bzw. Inkjetdruck makroskopisch ortselektiv ausgebrachte gleichmäßige, flächige Schichten aus flüssigem photovernetzbarem Material mittels MPP zu mikroskopischen zwei- oder dreidimensionalen Sub-Strukturen zu verfestigen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Druckkopfanordnung und Strahlungsquellenanordnung ist die konstruktive Voraussetzung geschaffen, die an sich bekannte 3D-Drucktechnik mit der MPP-Verfahrensvariante innerhalb einer einzigen Vorrichtung zu kombinieren.
Darüber hinaus ist bevorzugt in vorteilhafter Weise dafür Vorsorge getroffen, dass beide innerhalb der Vorrichtung kombiniert anzuwendenden Verfahrenstechniken, d. h. 3D-Drucktechnik sowie MPP-Verfahrenstechnik, keine störende Photoquerempfindlichkeiten aufweisen, d. h. die ganzflächige Bestrahlung der Arbeitsebene mit dem darauf ortsselektiv aufgebrachten photovernetzbaren Material im Wege der Drucktechnik vermag eine beispielsweise bereits in einem vorangegangenen Prozessschritt flächig auf der Arbeitsebene unter Anwendung des MPP Verfahrens aufgebrachte photovernetzbare Materialschicht nicht zu beeinträchtigen. Hierzu werden bevorzugt für die unterschiedlichen Verfahrensweisen verschiedene photovernetzbare Materialien gewählt, deren Photoempfindlichkeiten sich deutlich voneinander unterscheiden.
Somit ist es bevorzugt, innerhalb der Reservoirbehälter jeweils photovernetzbares Material, insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung, zu bevorraten, das über optisch unterschiedliche Absorptionseigenschaften verfügt. Die Absorptionseigenschaften von photovernetzbaren Materialien, insbesondere monomere Kunststoffmaterialien, werden bevorzugt durch den Zusatz wellenlängenselektiver Photoinitiatoren bestimmt. Die innerhalb der jeweiligen photovernetzbaren Materialien eingebrachten Photoinitiatoren vermögen es bevorzugt, elektromagnetische Strahlung geeigneter Wellenlänge zu absorbieren, wodurch innerhalb des photovernetzbaren Materials Materialverfestigungen ausgelöst werden.
Für die kombinierte Ausführung der 3D-Drucktechnik und des MPP-Verfahrens in jeweils getrennten Prozessschritten weist eine bevorzugte Ausführungsform der Strahlungsquellenanordnung zur ganzflächigen Beaufschlagung der Arbeitsebene mit elektromagnetischer Strahlung eine Licht emittierende Diode bzw. Diodenanordnung auf, die ein erstes Wellenlängenspektrum emittiert, in dem zugleich der Absorptionsbereich des ersten photovernetzbaren Materials liegt, das im Wege der 3D-Drucktechnik auf die Arbeitsebene ausgebracht wird. Demgegenüber emittiert die Laserlichtquelle Laserstrahlung mit einer Wellenlänge, die sich vom ersten Wellenlängenspektrum unterscheidet, und die von einem zweiten durch das Inkjetverfahren aufgebrachten Material absorbiert wird, welches dadurch mittels MPP in einer Substruktur verfestigt wird.
Die physikalische Natur einer Multiphotonenanregung innerhalb des photovernetzbaren Materials, das im Rahmen des MPP-Verfahrens auf die Arbeitsebene ausgebracht wird, ermöglicht auch die Ausbildung einer Ausführungsvariante mit einer Strahlungsquellenanordnung, die eine Laserlichtquelle als einzige Strahlungsquelle umfasst So treten Zwei- oder Mehrphotonenabsorptionsprozesse nur unter bestimmten Bedingungen auf. Um diese Bedingungen zu erreichen, wird photoempfindliches Material einer sehr hohen kurzzeitig wirkenden Bestrahlungsintensität ausgesetzt, wie dies beim Einsatz von fokussierten Pico- oder Ferntosekundenkurzzeitlaserpulsen der Fall ist. Durch optisch nicht lineare Prozesse, die mit einer Frequenzverdopplung bzw. Wellenlängenhalbierung vergleichbar sind, können Multiphotonenanregungen innerhalb des photovernetzbaren Materials im Fokusbereich initiiert werden, die durch Polymerisationsreaktionen das Material lokal verfestigen. Alle übrigen Materialbereiche, in denen die vorstehend erläuterten optischen Bedingungen nicht gegeben sind, stellen für die Laserstrahlung transparente Materialbereiche dar.
Wählt man demgegenüber unter Nutzung der 3D-Drucktechnik photovernetzbares Material mit auf die Laserwellenlänge abgestimmten Photoinitiatoren, so kann das ortsselektiv auf in die Arbeitsebene deponierte photovernetzbare Material durch Wechselwirkung mit dem Laserlicht verfestigt werden.
Im Unterschied zur vorstehend erhobenen Forderung der Verwendung wenigstens zweier Lichtquellen mit unterschiedlichen Emissionsspektren bedarf es unter gezielter Nutzung des optisch nicht linearen Multiphotonenprozesses lediglich einer einzigen Lichtquelle, nämlich eines Lasers, dessen Laserstrahlung durch entsprechende Wahl der am Ort des zu bestrahlenden photovernetzbaren Materials zu deponierenden Lichtintensität eine unterschiedliche Wellenlängencharakteristik erfährt. Wird der Laserstrahl unfokussiert oder mit aufgewerteten Strahlquerschnitt auf die Materialoberfläche gerichtet, d. h. mit normaler oder geringer Lichtintensität, so treten Lichtabsorptionen bei geeigneter Materialwahl bei der Laserwellenlänge auf. Wird hingegen der Laserstrahl fokussiert und auf diese Weise die deponierte Lichtintensität stark erhöht, so treten in einem geeignet gewählten Material Zwei- oder Mehrphotoneneffekte auf, die einer Lichtabsorption mit Licht der halben Laserwellenlänge entsprechen. Selbstverständlich bedarf es auch in diesem Fall einer geeigneten Auswahl von fotovernetzbaren Materialien in Hinblick auf ihre Photoqempfindlichkeiten, so dass das mittels der 3D-Drucktechnik auszubringende Material entweder das Laserlicht mit reduzierter Strahlintensität absorbiert, oder im Wege der Vernetzung mittels des MPP-Verfahrens ausschließlich mit dem fokussierten, hochintensiven Kurzzeitlaserpuls wechselwirkt.
In besonders vorteilhafter und bevorzugter Weise vermag die Druckkopfanordnung über die Vielzahl der linear angeordneten Druckdüsen das photovernetzbare Material unter Ausbildung einer möglichst homogenen Materialschicht hinsichtlich Materialschichtdicke sowie auch hinsichtlich einer möglichst ebenen bzw. planar ausgebildeten Schichtoberfläche auszutragen. Für eine zuverlässige und hoch qualitative Ausbildung von Mikro- und Submikrometer große Strukturen innerhalb der flächig ausgebrachten Materialschicht mit Hilfe des fokussierten Laserstrahls bedarf es jedoch einer möglichst glatten Materialschichtoberfläche sowie eine Materialschicht mit möglichst homogener Materialschichtdicke. Da die jeweils in die Arbeitsebene aufgetragenen Materialschichten sehr dünn sind, besteht eine fertige 3D-Struktur von nur einigen Millimetern Bauhöhe typischerweise aus mehreren Tausend, bevorzugt Hundert Einzelschichten. Dementsprechend würden kleinste Unterschiede in den jeweils aufgetragenen Materialschichtmengen zu erheblichen Abweichungen in der Bauteilgeometrie führen. Bei der konventionell eingesetzten 3D-Drucktechnik wird dieses Problem dadurch gelöst, dass etwas mehr Material auf der Arbeitsebene aufgebracht wird, als für die tatsächliche Materialschichtdicke eigentlich notwendig wäre. Anschließend wird durch eine mechanische Nivellier-Vorrichtung, beispielsweise in Form einer Rolle oder eines Schiebers das aufgetragene Material eingeebnet und überschüssiges Material abgetragen, um die Schicht auf eine exakte Nennhöhe zu bringen. Im Fall der bevorzugten Kombination der MPP Technik und der 3D-Drucktechnik gemäß der Erfindung würde eine derartige mechanische Glättung zu einer mechanischen Krafteinwirkung und damit verbunden zu einer Deformation oder gar Zerstörung bereits feinster, im Wege des MPP-Verfahrens erzeugter Strukturen führen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher ein berührungslos arbeitendes Messsystem vorgesehen, das die Schichtdicke und/oder die Schichtoberflächenbeschaffenheit der auf der Arbeitsebene abgeschiedenen photovernetzbaren Materialschicht erfasst, beispielsweise mittels optischer Messtechnik. Mit Hilfe einer Regeleinheit, die die seitens des Messsystems generierten Messsignale im Wege eines Soli-Ist-Vergleiches mit Referenzdaten vergleicht, wird die Druckkopfanordnung im Falle fehlerhaft festgestellter Schichtdicken und/oder festgestellter Schichtoberflächenbeschaffenheiten zu Nachkorrekturmaßnahmen entsprechend angesteuert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine durch die Regeleinheit ansteuerbare Wärmequelle vorgesehen, die die auf der Arbeitsebene abgeschiedene photovernetzbare Materialschicht kontrolliert zu wärmen vermag, um auf diese Weise eine verbesserte Vergleichmäßigung insbesondere der Schichtoberflächenbeschaffenheit zu bewirken.
Die bevorzugte Vorrichtung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise zur Herstellung makroskopischer Strukturen, die typischerweise einen Bauraum von mehreren Kubikzentimetern (ccm) aufweisen können und die zumindest bereichsweise Mikro- oder Submikrometer große Unterstrukturen enthalten. Um derartige, in ihren Strukturdimensionen hybrid zusammengesetzte Strukturen in einer für industrielle Maßstäbe vertretbaren Verfahrenszeit herstellen zu können, weist die Vorrichtung wenigstens drei Reservoireinheiten auf, die jeweils mit der Druckkopfanordnung verbunden sind. In einer ersten Reservoireinheit ist Stützmaterial enthalten, das selbst nicht notwendigerweise photovernetzbares Material darstellen muss. In wenigstens einer zweiten Reservoireinheit ist ein photovernetzbares 5 Material, insbesondere der vorliegenden Erfindung, enthalten, das zum Aufbau der Struktur im Wege eines ortsselektiven Materialaustrages gemeinsam mit dem Stützmaterial auf der Arbeitsebene deponiert wird. Im Weiteren soll dieses photovernetzbare Material auch als Strukturmaterial bezeichnet werden. Schließlich ist in wenigstens einer dritten Reservoireinheit photovernetzbares Material, insbesondere der vorliegenden Erfindung, vorgesehen, das im Wege von laserstrahlinduzierten Zweiphotonen- oder Mehrphotonenprozessen innerhalb der mittels Inkjetdruck ortsselektiv aufgetragenen Materialschicht in einer dreidimensionalen Mikro-Substruktur verfestigbar ist.
Um die makroskopischen Strukturbereiche zu einer 3D-Struktur auszuformen, d. h. jene Bereiche, deren Strukturgrößen typischerweise größer als 100 μm messen, bedient man sich der 3D-Drucktechnik, in Kombination mit flächiger Verfestigung. Das bedeutet, dass in die Arbeitsebene jeweils ortsselektiv das Stütz- sowie auch das photovernetzbare Strukturmaterial, insbesondere der vorliegenden Erfindung, über wenigstens zwei unterschiedliche Druckdüsen der Druckkopfanordnung ortsselektiv auf jeweils eine gemeinsame Arbeitsebene ausbringbar sind. Im Anschluss daran erfolgt eine großflächige Belichtung des ortsselektiv ausgebrachten Materials, die das Strukturmaterial polymerisiert und dadurch verfestigt. Diese Prozessabfolge wird schicht- bzw. lagenweise vielfach wiederholt, um die makroskopischen Strukturbereiche aufzubauen. Gilt es hingegen Strukturen im Mikro- und insbesondere Submikrometerbereich auszubilden, die mit den makroskopischen Strukturen einstückig zu verbinden sind, so bedarf es des Ausbringens des in wenigstens der dritten Reservoireinheit bevorrateten photovernetzbaren Materials, insbesondere der vorliegenden Erfindung, Ober den Querschnitt der zuvor aufgebauten Struktur auf der Arbeitsebene unter Ausbildung einer photovernetzbaren Materialschicht, die nachfolgend ortsselektiv mit einer fokussierten elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise einem Laserstrahl derart bestrahlt wird, so dass im Fokusbereich innerhalb der photovernetzbaren Materialschicht Zweiphotonen- oder Mehrphotonenprozesse, die zur ortsselektiven Verfestigung im Mikrometer- und Submikrometerbereich des jeweils zweiten photovernetzbaren Materials führen, initiiert werden.
Sowohl die Herstellung makroskopischer sowie auch mikroskopischer oder submikroskopischer Strukturbereiche erfolgt in einstückig zusammenhängender mit Prozessgeschwindigkeiten, die wenigstens annähernd typisch sind für die an sich bekannte 3D-Drucktechnik. Auf diese Weise lassen sich somit großvolumige Körper, die über feine Strukturierungen verfügen ökonomisch schnell und einstückig aufbauen. Außerdem ist es möglich, durch das 3D-Druckverfahren unter Verwendung weiterer Materialreservoireinheiten mehrere, unterschiedliche Struktur-Materialien miteinander zu kombinieren, die beispielsweise über unterschiedliche elastische Eigenschaften verfügen. Belspielsweise lassen sich unterschiedliche photovernetzbare Materialien in aufeinander folgenden Schichten abscheiden und flächig oder mikrostrukturiert verfestigen, wodurch individuelle Struktureigenschaften erzeugt werden können. Die so hergestellten Strukturen können gezielt variiert und reproduziert werden.
Ferner ist es bevorzugt, durch die Verwendung mehrerer unterschiedlicher photovernetzbarer Materialien, insbesondere der vorliegenden Erfindung, auch biofunktionale Substanzen in das Bauteil beziehungsweise die großvolumige Struktur einzubringen, um auf diese Weise vor dem Hintergrund biologischer Anwendungen bestimmte Biofunktionalisierungen zu erreichen.
Mit Hilfe der bevorzugten Vorrichtung und der damit realisierbaren neuartigen Verfahrensvariante, die eine Kombination die 3D-Drucktechnik und MPP Verfahren ermöglicht, können beispielsweise aus dem biologischen Gewebebereich stammende Gefäßstrukturen nachgebildet werden und zum Transport von Körperflüssigkeiten oder Nährmedien oder weitere Flüssigkeiten eingesetzt werden. So ist es möglich makroskopisch ausgebildete Röhrensysteme, deren Röhrendurchmesser und Röhrenlängen makroskopische Abmaße von deutlich größer 0,5 μm besitzen, beispielsweise mit porösen Röhrenwänden zu versehen, deren Porendurchmesser im unteren Mikro- sowie Submikrometerbereich liegen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung einer bevorzugten Vorrichtung gemäß der Erfindung,
2 eine schematisierte Illustration eines Querschnittes durch eine schichtweise aufgebaute Struktur mit Makro- und Mikrostrukturbereichen,
3 eine schematisierte Darstellung einer Biofunktionalisierung mittels der Thiol-En-Michael-Addition und anschließender ionischen Anbindung von Wachstumsfaktoren und kovalenter Anbindung von Adhäsionsmarkern und
4 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines mittels MPP und des erfindungsgemäß eingesetzten photovernetzbaren Materials hergestellten Kapillargefäß gemäß Beispiel 3.
1 zeigt schematisiert eine Vorrichtung zur schichtweisen Herstellung einer 3D-Struktur mit einer Druckkopfanordnung 1, die mit drei Reservoirbehältern 2, 3, 4 verbunden ist. Im Reservoirbehälter 2 ist ein Stützmaterial, im Reseivoirbehälter 3 ein photovernetzbares Material, das gemeinsam mit dem Stützmaterial ortsselektiv mittels der Druckkopfanordnung 1 auf die Arbeitsebene E ausbringbar ist. Hierzu sieht die Druckkopfanordnung 1 wenigstens zwei Druckdosen 5, 6 vor, durch die das Stützmaterial sowie das photovernetzbare Material ortsselektiv auf der Arbeitsebene E ausbringbar sind. Ferner ist die Druckkopfanordnung 1 mit einem weiteren Reservoirbehälter 4 verbunden, in dem weiteres photovernetzbares Material bevorratet ist, dessen optisches Absorptionsvermögen sich von dem optischen Absorptionsvermögen des photovernetzbaren Materials innerhalb des Reservoirbehälters 3 unterscheidet. Das aus dem Reservoirbehälter 4 stammende photovernetzbare Material dient zum Austrag aus einer längs einer Linearachse angeordneten Vielzahl von Druckdüsen 7, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in y-Richtung über die Arbeitsebene E geführt werden. Das durch die Druckdüsen 7 ausgetragene photovernetzbare Material wird als homogene Materialschicht auf der Arbeitsebene E aufgetragen.
Ferner sieht die Vorrichtung in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Lichtquellen, nämlich eine Leuchtdiodenanordnung LED sowie eine Laserlichtquelle L auf. Beide Lichtquellen sind mit einer Regeleinheit R verbunden, die eine entsprechende Aktivierung der Lichtquellen LED, L vornimmt. Der Laserstrahl des Lasers L wird über Ablenkspiegel SP sowie einer optischen Fokussiereinheit F ortsselektiv in eine auf der Arbeitsebene E aufgebrachte Materialschicht fokussiert.
Des Weiteren ist eine Messeinrichtung S vorgesehen, das mittels optischer Sensoren die Oberflächenbeschaffenheit die auf die Arbeitsebene A aufgetragene Materialschicht sowie deren Schichtdicke zu erfassen vermag. Des Weiteren ist eine Wärmeeinheit W vorgesehen, die zielgerichtet einen Wärmeeintrag auf die Arbeitsebene E und die Darauf aufgebrachten Materialdepositionen vornehmen kann. Sowohl die Wärmequelle W als auch die Messeinrichtung S sind mit der Regeleinheit R verbunden. Die Regeleinheit R, die zudem auch eine Steuerfunktion besitzt, steuert bzw. koordiniert sämtliche Komponenten der Vorrichtung, d. h. die Druckkopfanordnung 1 mit den damit verbundenen Reservoirbehältern 2, 3, 4 sowie auch die Strahlenquellenanordnung LED, L mit den damit verbundenen Funktionseinheiten Sp, F.
Zu iterativ schichtweisen Abscheidung entsprechend photovernetzbarer Materialien innerhalb der Arbeitsebene E gilt es einen entsprechenden Arbeitstisch A vorzusehen, der relativ zur Arbeitsebene E vertikal längs zur z-Richtung absenkbar ist.
In 2 ist stark schematisiert eine schichtweise aufgebaute Struktur B dargestellt, die sowohl über Makrostrukturbereiche M sowie auch Mikrostrukturbereiche μ aufweist. Die makroskopischen Strukturbereiche M werden mit der 3D Drucktechnik realisiert, bei der ein ortsselektiver Materialauftrag auf der Arbeitsebene mit nachfolgender vollflächiger Ausleuchtung und damit verbundener vollständiger Verfestigung des ortsselektiv ausgebrachten photovernetzbaren Materials erfolgt. Es sei vorausgesetzt, dass das ortsselektiv ausgebrachte photovernetzbare Material einen Photoinitiator einer ersten Art vorsieht. Demgegenüber wird zur Herstellung der Mikro- bzw. Submikrometerstrukturen im Bereich μ das photovernetzbare Material mit einem Photoinitiator einer zweiten Art vollflächig auf der Arbeitsebene ausgebracht und nachfolgend ortsselektiv mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls belichtet.
Die Abfolge bzw. der Übergang von Makrostrukturen M zu Mikrostrukturen μ erfolgt nahtlos und somit einstückig, zumal die Vorrichtung eine sofortige Umschaltung zwischen den zwei beschriebenen Verfahrensvarianten von einer Prozessschicht zur nächsten ermöglicht.
3 zeigt in einem ersten Schritt eine Umsetzung der in dem Schritt b) nicht umgesetzten Acrylatgruppen eines photovernetzten Materials mit Thiol modifiziertem Heparinsulfat über die Thiol-En-Michael-Addition, wobei ein Teil der Thiolgruppen des modifizierten Heparinsulfats nicht umgesetzt wird. In einem weiteren Schritt werden diese nicht umgesetzten Thiolgruppen teilweise mit einem Acrylat-modifizierten Biopolymer wie Heparin über die Thiol-En-Michael-Addition kovalent gebunden. Die Schritte 1 und 2 werden so oft wiederholt (ist nicht in dieser Figur gezeigt), bis die Oberfläche der zwei- oder dreidimensionalen photovernetzten Struktur das modifizierte Biopolymer im gewünschten Anteil beziehungsweise Bedeckungsgrad enthält. Anschließend wird in einem Schritt 3 an die durch die Sulfat-Gruppen eingeführten negativen Ladungen ionisch VEGF, ein Wachstumsfaktor, und an die freien Acrylat-Gruppen oder Thiolgruppen über eine Thiol-En-Michael-Addition oder Disulfidbildung RGD-SH, ein Adhäsionsanker, gebunden.
Bezugszeichenliste

1: Druckkopfanordnung
2, 3, 4: Reservoirbehälter
5, 6: Druckdüsen
7: Linear angeordnete Druckdosen
LED: Lichtemittierende Dioden
L: Laserlichtquelle
R: Regeleinheit
W: Wärmeeinheit
S: Messeinrichtung
E: Arbeitsebene
A: Arbeitstisch
M: Makrostrukturbereich
μ: Mikrostrukturbereich
B: Struktur

Beispiel 1: Synthese von polymeren Vernetzer-Komponenten mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen
Die Veresterungen von alpha-Omega-Dihydroxypolyethern wurden nach den Vorschriften der Druckschrift, New supports for solid-phase organic synthesis: development of polystyrene resins containing tetrahydrofuran derived cross-linkers. Tetrahedron Letters. 1999, 40(35), 6329–6332, zu alpha,omega-Dihydroxy-(polyether)-diacryleten durchgeführt. Die Vorschriften wurden auf die jeweilig eingesetzten Polyether angepasst. Zudem wurden die Vorschriften um einen zusätzlichen Aufreinigungsschritt erweitert, um toxische Katalysatoren und Stabilisatoren aus den Materialien vollständig zu entfernen. Die geklammerte Zahl in den Produktbezeichnungen wie bei „PTHF(1400)-Diacrylat” bezieht sich auf das durchschnittliche Molekulargewicht des eingesetzten Edukts. Die folgende Vorschrift ist als Standardmethode anzusehen. Die Strukturbestimmung der Produkte wurde mit ¹H-NMR durchgeführt. Weiterhin wurden die Produkte mittels GPC, FTIR und gegebenenfalls mit Angabe des R_f charakterisiert.
1.1 PTHF(1400)-Diacylat:
40 g pTHF (Poly(tetrahydrofuran) – durchschnittliche M_n ~ 1.400, Aldrich, 28,57 mmol, 5,08 g (4,8 ml, 69,3 mmol) Acrylsäure, 0,49 g (2.5 mmol) p-Toluolsulfonsäure-monohydrat und 0,098 g (0,1 mmol) Hydrochinon wurden in 600 ml Dichlorbenzol gelöst und in einer Dean-Stark Apparatur 48 Stunden unter Rückfluss erhitzt, bis keine weitere Wasserabscheidung zu beobachten war. Des Reaktionsgemisch wurde anschließend mit 30 g K₂CO₃ bei 40°C drei Stunden gerührt und danach filtriert. Das Filtrat wurde solange mit 10 mM wässriger NaOH-Lösung extrahiert, bis die Wasserphase farblos war. Danach wurde bis zur pH-Neutralisierung mit destilliertem Wasser extrahiert. Es wurde ein leicht gelblicher, viskoser Rückstand erhalten, der im Hochvakuum getrocknet wurde.
¹H-NMR(CDCl₃): δ (ppm) = 1,6 (CH₂, 78H, brs); 3,4 (-O-CH₂, 78H, brs); 4,2 (CH₂-Ac, 4H, t); 5,8 (=CH₂, 2H, d); 6,18 (-CH, 2H, dd); 6,4 (=CH₂, 2H, d)
FTIR: 813, 1100, 1195, 1369, 1727, 2855, 2929;
GPC (THF, Polystyrol (PS)-Standard): M_n = 1867 g/mol; P = 2,4;
R_f (Ethylacetat) = 0,62.
1.2 PTHF(2000)-Diacrylat
PTHF(2000)-Diacrylat wurde hergestellt nach Methode gemäß 1.1.
¹H-NMR(CDCl₃): δ (ppm) = 1,6 (CH₂, 138H, brs); 3,4 (-O-CH₂, 138H, brs); 4,2 (CH₂-Ac, 4H, t); 5,8 (=CH₂, 2H, d); 6,18 (-CH, 4H, dd); 6,4 (=CH₂, 2H, d)
FTIR: 813, 1100, 1195, 1369, 1727, 2855, 2929;
GPC (THF, PS-Standard): M_n = 2959 g/mol; P = 2,48.
1,3 PTHF(2900)-Diacrylat
PTHF(2900)-Diacrylat wurde hergestellt nach Methode gemäß 1.1.
¹H-NMR(CDCl₃): δ (ppm) = 1,6 (CH₂, 166H, brs); 3,4 (-O-CH₂, 162H, brs); 4,2 (CH₂-Ac, 4H, t); 5,8 (=CH₂, 2H, d); 6,18 (-CH, 4H, dd); 6,4 (=CH₂, 2H, d)
FTIR: 813, 1100, 1195, 1369, 1727, 2855, 2929;
GPC (THF, PS-Standard): M_n = 5200 g/mol; P = 2.33.
1.4 PPG(2000)-Diacrylat
PPG(2000)-Diacrylat wurde hergestellt nach Methode gemäß 1.1. Lediglich Benzol wurde anstatt von Dichlorbenzol als Lösungsmittel verwendet.
¹H-NMR(CDCl₃): 1,08 (brs, CH₃, 68.84H); 3,4 (brs, CH, 22.18H); 3,6 (brs, CH₂, 45.48) 5,1 (q, CH, 1H); 5,8 + 6,12 + 6,4 (d,dd,d, 3·CH, 3·1H)
GPC (THF, PS-Standard): M_n = 6345 g/mol; P = 1.15.
1.5 PPG(2300)-Diurethan(meth)acrylat
Toluol-2,4-diisocyanat terminierten Poly(propylenglycol) (M_n ~ 2,300 g/mol) wurde in HEMA (10-facher Überschuss bezogen auf die Moläquivalente) bei maximal 40°C gerührt, bis im IR die für Diisocyanat charakteristische Banden bei 2170 cm^–1 nicht mehr sichtbar waren. Überschüssiges HEMA wurde im Vakuum bei 60°C destillativ entfernt. Das HEMA kann auch nicht entfernt und zusammen mit PPG(2300)-Diurethan(meth)acrylat in einem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.
¹H-NMR(CDCl₃): 1,19 (s, CH₃, 22.14); 1,98 (s, CH₃, 2.94); 2,2 (s, Ar-CH₃, 1.27); 3,2–3,6 (brs, O-CH₂, 23.36); 4,35 + 4,42 (dd, CH₂, HEMA); 5,05 (brs, NH, 0.46); 5,60 (s, CH, 1,00); 6.18 (s, CH, 1,00).
1.6 PTHF(1600)-Diurethan(meth)acrylat:
PTHF(1600)-Diurethan(meth)acrylat wurde nach Methode gemäß 1.5 hergestellt. Es wurde abweichend dazu Toluol-2,4-diisocyanat terminierten Poly(1,4-butanediol) (M_n ~ 1.600 g/mol) als Ausgangsmaterial eingesetzt.
¹H-NMR(CDCl₃): 1,6 (s, CH₂, 19.56); 1,98 (s, CH₃, 2.95); 2,2 (s, Ar-CH₃, 1.27); 3,42 (s, O-CH₂, 19.49); 4,35 + 4,42 (dd, CH₂, HEMA); 5,60 (s, CH, 1.00); 6,18 (s, CH, 1.00).

1.7 Alle weiteren in den Tabellen 1a bis 1c verwendeten und mit gekennzeichneten Komponenten sind käuflich erworben worden.

Beispiel 2: Eigenschaften der erfindungsgemäß eingesetzten Materialen
Die polymeren Vernetzer-Komponenten mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen wurden bei 40°C mit 0,5% Irgacure 184 als Photoinitiator und gegebenenfalls mit Nebenkomponenten gemäß Tabellen 1a bis 1c gemischt und die Viskosität bestimmt. Diese photovernetzbaren Materialien wurden mit UV-Licht flächig bestrahlt und fixiert. Nach einem Waschprotokoll wurden WST-Tests (Test zur Quantifizierung der Stoffwechselaktivität von Zellen) und Konfluenztests zur Überprüfung der Biokompatibilität der photovernetzten Materialien durchgeführt. Außerdem wurde der jeweilige E-Modul und die Reißfestigkeit bestimmt.
Die Biokompatibilität wird bevorzugt durch geeignete Waschprotokolle der ausgehärteten Polymere erreicht. Es wurden WST-1 Proliferations-Tests durchgeführt, die allen untersuchten Materialien der Anwendungsbeispiele aus den Tabellen 1a bis 1c die Biokompatibilität bescheinigen. Weiterhin wurde die Interaktion primärer, humaner Endothelzellen – der Zelltyp der das Blutgefäßsystem in vivo auskleidet – mit den zwei- oder dreidimensionalen Strukturen, so wie die Zellmorphologie und Zellfunktionalität untersucht. Zellkonfluenzen von mindestens 10% bescheinigen zelladhäsive Eigenschaften von nicht-biofunktionalisierten Polymeren. Die Zellfunktionalität vitaler Endothelzellen auf den Materialien wurde durch einen acLDL (acetyliertes Low Density Lipoprotein)-Aufnahme Test und über immunhistochemische Färbungen der spezifischen Marker CD31, vWF und VE-Cadherin belegt.
Beispiel 3 – Herstellen einer dreidimensionalen Struktur mittels MPP
Das photovernetzbare Material gemäß Nummer 1 aus Tabelle 1a wurde bei Raumtemperatur mit 2% N⁴,N^4'-Bis(4-methoxyphenyl)-N⁴,N^4'-diphenyl-4,4'-diaminobiphenyl gemischt und eine gesättigte Lösung hergestellt 20 μl des photovernetzbaren Materials wurde auf einen Glasobjektträger gegeben, sodass eine Schichtdicke von 170 μm entstand. Dieses photovernetzbare Material wurde flächig mittels ortsselektiver Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 532 nm über Zweiphotonenprozesse ausgehärtet. Zugrunde gelegt wurde dem Verfahren ein CAD Model der herzustellenden dreidimensionalen Struktur, das vertikal in 75 Ebenenschnitte unterteilt war. Jeder dieser 75 Schnitte wurde dabei mit Bahnkurven gefüllt. Der Laserstrahl wurde entsprechend auf diesen vorgegebenen Bahnkurven geführt, so dass durch diese Fixierung die dreidimensionale Struktur, nämlich ein verzweigtes Kapillargefäss mit einem inneren Durchmesser von 20 μm und einer Höhe von 150 μm, erhalten wurde.
Nach Beendigung des Aushärtungsprozesses wurde nicht vernetztes Material durch Eintauchen in Ethanol über einen Zeitraum von 5 min entfernt. Die so entstandene dreidimensionale Struktur wurde im Anschluss mit einer dünnen Goldschicht beschichtet, um mittels eines Rasterelektronenmikroskops ihre Beschaffenheit zu überprüfen (siehe 4).
Die Molmasse der unterschiedlichen PTHF-Diacrylate(DA) hat Einfluß auf den E-Modul, wodurch weiche bis sehr weiche Polymere entstehen (Beispiele 1 bis 4).
Die Tabelle 1 listet die Eigenschaften der Kompositionen auf. Die ausgewählten Beispiele erfüllen alle die erfindungsgemäßen Eigenschaften.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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DE 10024618 A1 [0009]
US 2009/0224438 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Verfahren zur Herstellung einer zwei- oder dreidimensionalen Struktur auf einem Substrat, das mindestens folgende Schritte umfasst: a) Aufbringen mindestens eines photovernetzbaren Materials auf das Substrat und b) Fixieren des mindestens einen in Schritt a) aufgebrachten photovernetzbaren Materials durch elektromagnetische Strahlung, wobei das mindestens eine photovernetzbare Material die folgenden Komponenten aufweist: i) mindestens eine polymere Vernetzer-Komponente mit mindestens zwei photovernetzbaren Gruppen, die aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Acrylat, Methacrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Urethanacrylat, Urethanmethacrylat, Ureaacrylat und Ureamethacrylat und ii) mindestens eine Photoinitiator-Komponente.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die polymere Vernetzer-Komponente aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Polyethylenglykol (PEG), Polypropylenglykol (PPG), Siloxane, Polytetrahydrofuran (PTHF), Bis-phenol-A-ethoxylat (BPA-(EO)), Co-Block-Polyether davon, Biopolymere und modifizierte Biopolymere.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das photovernetzbare Material zusätzlich mindestens eine kurzkettige Vernetzer-Komponente mit mindestens drei photovernetzbaren Gruppen aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Acrylat, Methacrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Urethanacrylat, Urethanmethacrylat, Ureaacrylat und Ureamethacrylat.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das photovernetzbare Material zusätzlich mindestens eine niedrigviskose Modifikator-Komponente mit einer photovernetzbaren Gruppe aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Acrylat, Methacrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Urethanacrylat, Urethanmethacrylat, Ureaacrylat und Ureamethacrylat.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt a) das Aufbringen des mindestens einen photovernetzbaren Materials auf das Substrat ortsselektiv oder flächig und das in Schritt b) durchgeführte Fixieren des mindestens einen in Schritt a) aufgebrachten photovernetzbaren Materials durch elektromagnetische Strahlung flächig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Schritt a) das Aufbringen des mindestens einen photovernetzbaren Materials auf das Substrat ortsselektiv oder flächig und das in Schritt b) durchgeführte Fixieren des mindestens einen in Schritt a) aufgebrachten photovernetzbaren Materials durch elektromagnetische Strahlung ortsselektiv erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einer ersten Verfahrensfolge in Schritt a) ortsselektiv wenigstens ein erstes photovernetzbares Material auf das Substrat aufgebracht und in Schritt b) dieses flächig durch elektromagnetische Strahlung fixiert und wobei anschließend in einer zweiten Verfahrensfolge in Schritt a) flächig wenigstens ein zweites photovernetzbares Material auf das Substrat aufgebracht und in Schritt b) dieses ortsselektiv durch elektromagnetische Strahlung fixiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Teil der photovernetzbaren Gruppen in dem mindestens einen photovernetzbaren Material in Schritt b) nicht umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei des photovernetzbare oder photovernetzte Material mit mindestens einer biofunktionellen Komponente funktionalisiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die nicht umgesetzten, photovernetzbaren oder weitere nicht photovernetzbare funktionelle Gruppen mit mindestens einer biofunktionellen Komponente funktionalisiert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die biofunktionelle Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Proteine wie Glycoproteine, Wachstumsfaktoren, Antikörper oder Peptidsequenzen, Polysaccharide, Glykosaminglykane, Nucleinsäuren, Aptarnere und Derivate davon.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die biofunktionelle Komponente indirekt über Nanopartikel mit dem photovernetzbaren oder photovernetzten Material verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine biokompatible Struktur hergestellt wird und wobei – die polymere Vernetzer-Komponente in einer Menge von 5 bis 80 Masse-%, insbesondere 5 bis 30 Masse-% und – die mindestens eine Photoinitiator-Komponente in einer Menge von 0,2 bis 4 Masse-%, vorzugsweise 0,5 bis 1% eingesetzt werden.
Zwei- oder dreidimensionale Struktur herstellbar gemäß einem der Verfahren der vorstehenden Ansprüche.
Zwei- oder dreidimensionale Struktur gemäß Anspruch 14, wobei diese Struktur eine Matrix für die Erzeugung von in vitro oder in vivo Gewebe, eines Organteils oder Organteil-Äquivalents, eines Organs oder Organ-Äquivalents, eines Transplantats, eines Implantats, eines Gefäßes, eines Gefäßsystems, eines Hohlorgans oder eines Teils eines Hohlorgans, eines Zellkultursubstrats, ein poröses oder nicht-poröses Transportsystem, ein poröses oder nicht-poröses Röhrensystem, ein poröser oder nicht-poröser Schlauch, eine Membran, ein diagnostisches System oder ein chirurgisches Gerät oder Teil davon ist.
Zwei- oder dreidimensionale Struktur gemäß Anspruch 14, wobei diese Struktur durch Integration lebender Zellen ein in vitro oder in vivo Gewebe, ein Organteil oder Organteil-Äquivalent, ein Organ oder Organ-Äquivalent, ein Transplantat, ein Implantat, ein Gefäß, ein Gefäßsystem, ein Hohlorgan oder ein Teil eines Hohlorgans, ein Zellkultursubstrat, ein diagnostisches System oder ein Teil davon ist.