Microstructural design to improve shape memory behavior of 3d-printed poly(L-lactide-co-glycolide-co-e-caprolactone) scaffolds for bone tissue engineering

การออกแบบโครงสร้างระดับจุลภาคเพื่อปรับปรุงพฤติกรรมการคืนรูปของโครงร่างพิมพ์สามมิติพอลิ(แอล-แลกไทด์-โค-ไกลโคไลด์-โค-เอปไซลอน-คาโปรแลกโทน) สำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูก

Name: Amataporn Jompralak

LCSH: Bone

LCSH: Three-dimensional printing

LCSH: Biodegradable plastics

Abstract: Nowadays, the reconstruction of critical-size bone defects, which occurs in many clinical situations including large open fractures with bone loss, infection requiring debridement of bone, and resection of bone tumors, continues to be challenging. Scaffold-based bone engineering has been provided as an alternative to traditional treatments using autografts and allografts by supporting bone regeneration. However, the classical scaffold remains an obstacle due to the limitations of the irregular shape of the defect. Therefore, this research has studied scaffolds made from biodegradation polymers in combination with shape memory behavior called biodegradable shape-memory polymers (BSMPs) to give the ability to shape recovery and fit the irregular defect and biodegradability simultaneously with new bone formation. BSMPs can be made utilizing traditional biodegradable polyesters by copolymerization, including block copolymerization, or microstructural modification, making them ideally suited for use in biomedical applications. Poly(L-lactide)-based polymers have been commonly studied as shape memory polymers. However, there are certain limitations with the high glass transition temperature of poly(L-lactide), limits in shape memory application, and the low degradation rate of poly(-caprolactone). So, the combination of L-lactide, glycolide, and -caprolactone to form terpolymers can overcome their limitations. In this study, medical-grade poly(L-lactide-co-glycolide-co--caprolactone) (PLGC) terpolymers have been developed to be 3D-printed porous scaffolds with shape memory behavior by copolymerizing block terpolymers for enhancing shape memory behavior and mechanical properties. The porous scaffolds have been designed and fabricated using a 3D printing teวchnique and evaluated for shape memory behavior and mechanical properties. Medical-grade PLGC with a terpolymer composition of LL:GA:CL 65:10:25 mol% was synthesized by both one-pot and two-step ring-opening polymerization methods. The results showed that the synthetic method chosen significantly affected the chain microstructure of the terpolymer obtained. The randomness coefficients calculated from the 13C-NMR spectra of both methods indicated that the two-step method produced a blockier microstructure (R almost 0). In addition, DSC and DMA thermograms showed the effect of chain microstructure on thermal properties, which correspond to mechanical property results from tensile testing. Both 3D-printed scaffolds showed interconnected pores after fabrication, which provide space for the subsequent regeneration of bone tissue for bone defects. However, the 3D-printed scaffolds of two-step PLGC, which have a blocky chain microstructure, have a higher shape recovery ratio and ability to recover shape than one-pot PLGC 3D-printed scaffolds. In addition, two-step PLGC 3D-printed scaffolds have potential mechanical properties equivalent to cancellous bone. In conclusion, PLGC terpolymers obtained from two-step ring-opening copolymerization have a blocky microstructure and inherent viscosity suitable for 3D-printing fabrication. The two-step PLGC 3D-printed scaffold has great shape recovery potential for tissue engineering and will provide a reference for the model 3D design of bone scaffolds.

Abstract: ในปัจจุบันนี้ การช่วยฟื้นฟูข้อบกพร่องของกระดูกที่ไม่สามารถหายได้เองตามธรรมชาติยังคงมีความท้าทาย โดยข้อบกพร่องของกระดูกสามารถเกิดขึ้นได้จากกระบวนการทางคลินิก ยกตัวอย่างเช่น การรักษาอาการกระดูกหักแบบเปิดขนาดใหญ่ที่มีการสูญเสียมวลกระดูก การติดเชื้อที่ต้องมีการถอดกระดูกออก และการผ่าตัดเนื้องอกในกระดูก โครงร่างชั่วคราวสำหรับใช้ในวิศวกรรมกระดูกถือเป็นทางเลือกหนึ่งที่ถูกใช้แทนการรักษาแบบดั้งเดิม เช่น การปลูกถ่ายออโตกราฟต์และการปลูกถ่ายอัลโล-กราฟต์ ซึ่งโครงร่างชั่วคราวสามารถช่วยในการส่งเสริมการสร้างกระดูกใหม่ อย่างไรก็ตาม โครงร่างชั่วคราวแบบเดิมยังมีข้อจำกัดในด้านของการช่วยฟื้นฟูข้อบกพร่องของกระดูกที่มีรูปร่างผิดปกติ ดังนั้น งานวิจัยนี้ได้ศึกษาโครงร่างชั่วคราวที่ผลิตจากพอลิเมอร์ย่อยสลายทางชีวภาพพร้อมทั้งมีสมบัติการจำรูป เพื่อสามารถคืนรูปโครงร่างให้มีความพอดีกับบริเวณที่มีข้อบกพร่องของกระดูก รวมถึงสามารถสลายตัวพร้อมกับการเกิดกระดูกใหม่ พอลิเมอร์จำรูปที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพนี้สามารถผลิตได้โดยใช้พอลิเอสเทอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพทั่วไปโดยผ่านการโคพอลิเมอไรเซชัน การสร้างบล็อกโคพอลิเมอร์ หรือการปรับเปลี่ยนโครงสร้างทางจุลภาคของพอลิเมอร์ ด้วยเหตุนี้จึงทำให้พอลิเมอร์จำรูปที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพนี้เหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้ในทางการแพทย์ โดยพอลิเมอร์ที่มีพอลิ(แอล-แลกไทด์) เป็นหลักมักนิยมถูกนำมาศึกษาในด้านของพอลิเมอร์จำรูป อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วของพอลิ(แอล-แลกไทด์) จำกัดการใช้งานในด้านการจำรูป รวมถึงข้อจำกัดของพอลิ(เอปไซลอน-คาโปรแลกโทน) ที่มีอัตราการสลายตัวช้า ดังนั้น การรวมกันของอะลิฟาติกพอลิเอสเตอร์แต่ละชนิดนี้สามารถปรับปรุงสมบัติของพอลิเมอร์ได้ ในงานวิจัยนี้ ได้พัฒนาพอลิ(แอล-แลกไทด์-โค-ไกลโคไลด์-โค-เอปไซลอน-คาโปรแลกโทน) เกรดทางการแพทย์ และขึ้นรูปเป็นตัวต้นแบบโครงร่างชั่วคราวสามมิติที่มีสมบัติการจำรูป โดยผ่านการโคพอลิเมอไรเซชันเพื่อให้ได้เป็นบล็อกเทอพอลิเมอร์ เพื่อเพิ่มพฤติกรรมการจำรูปและสมบัติเชิงกล ตัวต้นแบบโครงร่างชั่วคราวสามมิติผ่านการขึ้นรูปด้วยเทคนิคการพิมพ์สามมิติและศึกษาสมบัติการจำรูปและสมบัติเชิงกล พีแอลจีซีเทอพอลิเมอร์ เกรดทางการแพทย์ ที่มีสัดส่วนแอล-แลกไทด์: ไกลโคไลด์: คาโปรแลกโทน 65:10:25 โมลเปอร์เซ็นต์ ถูกสังเคราะห์ขึ้นโดยการพอลิเมอไรเซชันเปิดวงในบัลค์ด้วยวิธีหม้อเดียวและสองขั้นตอน ผลการสังเคราะห์พบว่าวิธีการสังเคราะห์มีผลต่อโครงสร้างจุลภาคบนสายโซ่ของเทอพอลิเมอร์อย่างมาก โดยค่าสัมประสิทธิ์การสุ่มที่คำนวณได้จากสเปกตรัมของคาร์บอน-13 นิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์บ่งชี้ว่าวิธีสังเคราะห์แบบสองขั้นตอนให้โครงสร้างจุลภาคของเทอพอลิ-เมอร์แบบบล็อก (R ใกล้เคียง 0) นอกจากนั้น จากผลการศึกษาด้วยเทคนิคดิฟเฟอเรนเชียลสแกนนิงแคลอริเมทรีและการวิเคราะห์สมบัติเชิงกลแบบไดนามิกยังพบว่าโครงสร้างจุลภาคสามารถส่งผลต่อสมบัติทางความร้อนและสมบัติเชิงกลของเทอพอลิเมอร์ ซึ่งสอดคล้องกับผลสมบัติเชิงกลที่ได้จากการทดสอบแรงดึง และสำหรับตัวต้นแบบโครงร่างชั่วคราวสามมิติที่ขึ้นรูปจากเทอพอลิเมอร์ทั้งสองโครงสร้างจุลภาคพบว่า โครงร่างชั่วคราวสามมิติทั้งสองมีรูพรุนที่เชื่อมต่อถึงกันซึ่งสามารถช่วยส่งเสริมการสร้างเนื้อเยื่อกระดูกใหม่ ณ บริเวณที่มีข้อบกพร่องของกระดูกได้ อย่างไรก็ตาม ตัวต้นแบบโครงร่างชั่วคราวสามมิติของเทอพอลิเมอร์จากการสังเคราะห์สองขั้นตอนที่มีโครงสร้างจุลภาคแบบบล็อกนั้นมีสมบัติการจำรูปและความสามารถในการคืนรูปที่ดีกว่าโครงร่างชั่วคราวสามมิติของเทอพอลิเมอร์จากการสังเคราะห์ขั้นเดียว นอกจากนั้น ตัวต้นแบบโครงร่างชั่วคราวสามมิติของเทอพอลิเมอร์จากการสังเคราะห์สองขั้นตอนยังมีสมบัติเชิงกลที่มีศักยภาพเทียบเท่ากับกระดูกแคนเซลลัสหรือกระดูกชั้นใน งานวิจัยนี้สรุปได้ว่าพีแอลจีซีเทอพอลิเมอร์ที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยวิธีสองขั้นตอนมีโครงสร้างจุลภาคเป็นบล็อกและมีความหนืดที่เหมาะสำหรับการพิมพ์สามมิติ และตัวต้นแบบโครงร่างชั่วคราวสามมิติของเทอพอลิเมอร์จากการสังเคราะห์สองขั้นตอนยังมีศักยภาพในการคืนรูปสูง สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในวิศวกรรมเนื้อเยื่อและเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการออกแบบโครงร่างสามมิติในอนาคต

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Winita Punyodom

Role: Advisor

Created: 2024

Modified: 2024-08-18

Issued: 2024-08-18

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Master of Science

Level: Master's Degree

Descipline: Chemistry

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	640531040.pdf	3.44 MB	12	2026-05-26 18:16:01

ใช้เวลา

0.041011 วินาที