Degradable polyester sponges with tunable degradability made by sustainable methods

Titelangaben

Xu, Chengzhang:
Degradable polyester sponges with tunable degradability made by sustainable methods.
Bayreuth , 2026 . - II, 165 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

This dissertation is aimed at the preparation and degradation of poly(L-lactide) (PLLA) sponge for tissue engineering. Three sub-aims, which are built up upon each other, could be branched from the main aim. The result of each sub-aim led to a new research field and resulted in sustainable processing. The first sub-aim is sponge preparation, including thorough hydrophilization. Surface modification methods were used for the hydrophilization of the sponges in order to conquer the inherent hydrophobicity of PLLA. Dip-coating is a well-known method for surface modification. In this work, dip-coating of a surfactant, Tween 20, was used in a sustainable way for sponge hydrophilization. The successful and efficient hydrophilization was demonstrated by hydrophilic dye staining. The strong hydrophilization was persistent even after storage in aqueous medium for a long time, favoring cell proliferation and penetration. A cell test showed the good cell compatibility of the hydrophilic sponges. Contrarily, low cell compatibility was observed in hydrophobic sponges. The hydrophilic PLLA sponges resolved the problem of the deep infiltration of cells into the sponge bulk, which was a remarkable challenge in the tissue engineering application of sponges. Hydrophilic PLLA sponges are favorable for not only biomedical applications, such as tissue engineering and drug delivery, but also other applications, such as agricultural materials. Besides hydrophilization, the next challenge is to resolve the problem of the low degradation of PLLA to adapt to the requisites for tissue engineering application with different tissues. Hereby, the second sub-aim was proposed. In this sub-aim, an enzyme proteinase K, which was found to degrade PLLA effectively, was identified as a highly promising additive for PLLA to accelerate its degradation rate. However, the thermal processing of enzymes with PLLA might be a major issue due to their thermal sensitivity (such as with proteinase K). Therefore, new methods were established by cooperating with other groups to understand the structural changes of proteinase K at different temperatures, focusing mainly on the enzymatic activity of proteinase K. The result showed that the latter could retain its enzymatic activity in bulk state up to 130 °C. Nonetheless, proteinase K lost most of its activity once the temperature reached 150 °C or higher. The thermal processing temperature of PLLA is usually higher than 180 °C, therefore, the result clearly indicates that the encapsulation of proteinase K into PLLA during thermal processing will give rise to a limited success. This finding from the second sub-aim led to the third sub-aim: the development of the processing of proteinase K with baroplastic polymers at ambient temperatures. Utilizing baroplastic degradable polymers, it was shown that proteinase K could be processed in bulk with well-known poly(L-lactide)-block-poly(ethylene glycol) block copolymers. It was found that poly(L-lactide)-block-poly(ethylene glycol)-block-poly(L-lactide) triblock copolymers with a specific ratio range of an LA/EG repeating unit (170/182 – 214/182) showed excellent baroplastic processability together with the formation of mechanically stable films. Following the baroplastic concept, polymer film could be processed with proteinase K at 37 °C under 10 MPa or higher pressure with a negligible loss of enzymatic activity. The preservation of protein functionality could be verified after processing with baroplastic by the encapsulation of a yellow fluorescent protein, yellow fluorescent protein for energy transfer (YPet), which was provided by Prof. Möglich’s group. When being processed at 135 °C with baroplastic, YPet lost its yellow fluorescence. By contrast, the yellow fluorescence was maintained when processed at 37 °C. The degradation test of baroplastic film in proteinase K buffer solution showed a rather slow degradation rate, which was in accordance with the sludge water degradation result. Additionally, baroplastic displayed little toxicity against cells and Daphnia, indicating the biocompatibility of the baroplastic material in the environment. The overall result of the thesis transported a comprehensive understanding of the processing and tailored degradation of PLLA-related materials, which is promising for applications where tailored degradation is required, such as tissue engineering and agricultural materials.

Abstract in weiterer Sprache

Das Hauptziel dieser Dissertation ist die Herstellung und der Abbau von PLLA-Schwämmen für Anwendungen in der Geweberekonstruktion. Die drei aufeinander aufbauenden Teilziele der Dissertation leiten sich direkt vom Hauptziel ab. Das Ergebnis jeden Teilziels, führte zu einem neuen Forschungsgebiet und schließlich jeweils zu einer nachhaltigen Verarbeitungsmethode. Das erste Teilziel ist die Herstellung von Schwämmen und deren komplette Hydrophilisierung. Um die inhärente Hydrophobie von PLLA zu überwinden, wurden für deren Hydrophilisierung Methoden zur Oberflächenmodifizierung eingesetzt. Die Tauchbeschichtung ist eine bekannte Methode zur Oberflächenmodifizierung welche in dieser Arbeit mit dem Tensid, Tween 20, zur Hydrophilisierung der Schwämme als schonende Methode eingesetzt wurde. Die erfolgreiche und effiziente Hydrophilisierung wurde durch Färbung mit einem hydrophilen Farbstoff nachgewiesen. Die starke Hydrophilisierung blieb auch nach längerer Lagerung in wässrigem Medium bestehen und begünstigte so die Zellproliferation und -penetration. Untersuchungen mit Zellen bestätigten die gute Zellverträglichkeit der hydrophilen Schwämme. Im Gegensatz dazu wurde bei den hydrophoben Schwämmen eine geringere Zellkompatibilität festgestellt. Die hydrophilen PLLA-Schwämme lösten das Problem der Infiltration von Zellen in das Innere der Schwämme, was eine besondere Herausforderung bei der Anwendung von Schwämmen in der Geweberekonstruktion darstellte. Hydrophile PLLA-Schwämme eignen sich nicht nur für biomedizinische Anwendungen, wie für die Geweberekonstruktion und die Wirkstofffreisetzung von Medikamenten, sondern auch für andere Anwendungen als landwirtschaftliche Materialien. Neben der Hydrophilisierung besteht die nächste Herausforderung darin, das Problem des geringen Abbaus von PLLA zu lösen, um die Anforderungen für die Geweberekonstruktion von verschiedenen Geweben zu erfüllen. In diesem Zusammenhang wurde das zweite Teilziel formuliert. Im Rahmen der Arbeiten zum zweiten Teilziel, wurde das Enzym Proteinase K, das bekannterweise PLLA effektiv abbaut, als vielversprechendes Additiv für PLLA identifiziert, um dessen Abbaugeschwindigkeit zu beschleunigen. Allerdings könnte die thermische Verarbeitung von Enzymen mit PLLA aufgrund ihrer thermischen Empfindlichkeit (wie bei Proteinase K) problematisch sein. Daher wurden in Zusammenarbeit mit anderen Gruppen neue Methoden entwickelt, um die strukturellen Veränderungen der Proteinase K bei verschiedenen Temperaturen zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf der enzymatischen Aktivität der Proteinase K lag. Das Ergebnis zeigte, dass die Proteinase K ihre enzymatische Aktivität im festen Zustand bis zu 130 °C beibehalten konnte. Ab 150 °C jedoch, verlor Proteinase K den größten Teil seiner Aktivität. Die Temperatur bei der thermischen Verarbeitung von PLLA liegt in der Regel über 180 °C, sodass das Ergebnis eindeutig darauf hinweist, dass die Mischung von Proteinase K mit PLLA in der Schmelze nur wenig erfolgversprechend ist. Die Ergebnisse des zweiten Teilziels führten zum dritten Teilziel: der Verarbeitung von Proteinase K mit baroplastischen Polymeren bei Raumtemperatur. Durch die Verwendung baroplastischer abbaubarer Polymere konnte gezeigt werden, dass Proteinase K mit bekannten Poly(L-Lactid)-block-Polyethylenglykol Diblockcopolymeren im Festkörper verarbeitet werden kann. Es wurde festgestellt, dass Poly(L-Lactid)-block-Polyethylenglykol-block-Poly(L-Lactid) Triblockcopolymere mit einem bestimmten Verhältnis der LA/EG-Wiederholungseinheiten (170/182 - 214/182) eine ausgezeichnete baroplastische Verarbeitbarkeit, zusammen mit der Bildung mechanisch stabiler Filme ergaben. Dem baroplastischen Konzept folgend, konnte der Polymerfilm mit Proteinase K bei 37 °C unter 10 MPa oder höherem Druck mit einem vernachlässigbaren Verlust an enzymatischer Aktivität der Proteinase K verarbeitet werden. Die Erhaltung der Proteinfunktionalität konnte nach der Verarbeitung mit Baroplastik auch durch die Verkapselung des gelb fluoreszierenden Proteins YPet, das von der Gruppe von Prof. Möglich bereitgestellt wurde, nachgewiesen werden. Während YPet bei der Schmelzeverarbeitung mit dem Baroplastikpolymer bei 135°C YPet seine gelbe Fluoreszenz verlor, blieb die gelbe Fluoreszenz erhalten, wenn die Verarbeitung unter Baroplastikbedingungen bei 37 °C erfolgte. Der Abbautest von Baroplastikfilmen in Proteinase-K-Pufferlösung zeigte einen eher langsamen Abbau, was mit dem Ergebnis des Abbaus in Klärschlammwasser korrelierte. Darüber hinaus zeigte Baroplastik eine geringe Toxizität gegenüber Zellen und Daphnien, was auf dessen Umweltverträglichkeit hinweist. Das Gesamtergebnis der Arbeit vermittelt ein umfassendes Verständnis der Verarbeitung und des maßgeschneiderten Abbaus von PLLA und dessen Derivate. Daraus ergeben sich vielversprechende Ansätze für Anwendungen, bei denen ein maßgeschneiderter Abbau erforderlich ist, z. B. in der Geweberekonstruktion und bei landwirtschaftlichen Materialien.