Preparation and characterization of poly(propylene fumarate) (PPF) based composites for bone tissue engineering applications

Abstract

Poly(propylene fumarate) (PPF) and vinyl phosphonic acid diethyl ester (VPES) based biodegradable and biocompatible polymeric composite systems which were designed to be used as scaffolds for bone tissue defects and tissue regeneration were developed in this study. Intended for this purpose, PPF pre-polymer was synthesized through a polycondensation reaction of propylene glycol and fumaric acid in an excess of propylene glycol. PPF pre-polymer was then cured with the VPES comonomer at body temperature (37oC) with fixed PPF:VPES weight ratio of 70:30, in the presence of benzoyl peroxide initiator, N,N-Dimethyl para-toluidine (DMT) which was utilized as catalyst and varying amounts of Beta-tricalcium phosphate (0-20 wt percent ß-TCP) as filler via radical polymerization to prepare biodegradable and biocompatible composite materials that can be used in injectable forms. The structure of the PPF pre-polymer was characterized via FT-IR and 1H-NMR spectroscopic techniques and molecular weight was determined via gel permeation chromatography (GPC) analysis. Complete cure of the body temperature cured PPF/VPES/ß-TCP composites was confirmed by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal degradation profiles were characterized via thermal gravimetric analysis (TGA). Cross-link density was determined via swelling of composites in different solvents. The dispersion of ß-TCP particles in the polymer matrix was investigated via scanning electron microscopy (SEM) analysis. Compressive properties were characterized by compression tests. Surface hydrophilicity of the prepared composite materials was analyzed via dynamic contact angle with water measurements. Equilibrium water content of the prepared composites was also determined. Biodegradation rates in PBS buffer solution (pH=7.4) at 37°C were examined via both weight loss and pH measurements for 80 days. All in all, data gathered during entire study implied that the prepared PPF/VPES/ß-TCP composites show significant potential to be used as scaffolds for cartilage tissue engineering applications. This study was supported by TÜBİTAK (114M195).

Bahsi geçen çalışmada, kemik doku mühendisliğinde kullanılması amaçlanan poli (propilen fumarat) (PPF) ve vinil fosfonik asit di-etil esteri (VPES) bazlı biyouyumlu ve biyobozunur polimerik kompozit sistemler geliştirilmiştir. Bu amaç doğrultusunda, PPF pre-polimeri propilen glikol ve fumarik asidin propilen glikol fazlası ortamında polikondenzasyon tepkimesi sonucu sentezlenmiştir. PPF pre-polimeri VPES komonomeriyle sabit bir ağırlık oranında (PPF:VPES=70:30), radikal başlatıcı benzoil peroksit, katalizör N',N'- Dimetil para-toluidin (DMT) ve toplam ağırlığın yüzde 0 ila 20'si aralığında değişen oranlarda beta-trikalsiyum fosfat (ß-TCP) dolgu maddesi varlığında vücut sıcaklığında (37 oC) radikal polimerizasyon ile kür edilmiştir. Elde edilen biyouyumlu ve biyobozunur kompozit ürünler enjekte edilebilir formda kullanılabilir. PPF polimerinin yapısı FT-IR ve 1H-NMR spektroskopik teknikleri ile karakterize edilmiş, moleküler ağırlık jel permeasyon kromatografisi (GPC) ile belirlenmiştir. PPF/VPES/ß-TCP kompozitlerinin oda sıcaklığında kür reaksiyonlarının tamamlandığı diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analiziyle kanıtlanmış olup, sıcaklığa bağlı bozunma profilleri termal gravimetrik analiz (TGA) yöntemi ile belirlenmiştir. Malzemelerin çözücü içersinde şişme özelliklerine bağlı olarak çapraz bağ yoğunluğu değerleri hesaplanmıştır. Polimer matriks içersinde ß-TCP parçacıklarının dağılımı taramalı elektron mikroskopi (SEM) ile analiz edilmiştir. Elde edilen kompozit malzemelerin yüzey hidrofilisite analizleri su ile dinamik kontak açısı ölçümleriyle yapılmış olup, kompozitlerin dengedeki su miktarları ayrıca belirlenmiştir. Kompozitlerin in-vitro biyobozunma hızları PBS tampon çözeltisi (pH=7,4) içerisinde 80 gün boyunca ağırlık kaybı ve pH değişimi takip edilerek analiz edilmiştir. Sonuç olarak, tüm çalışma boyunca alınan veriler PPF/VPES/ß-TCP kompozitlerinin kemik doku mühendisliği alanında, kıkırdak doku iskelesi olarak kullanımının mühim bir potansiyeli olduğunu göstermektedir.