Einleitung
Biologisch abbaubare Vliesstoffe haben im Bereich der Biomedizintechnik, insbesondere beim Tissue Engineering, ein beträchtliches Potenzial gezeigt. Das Ziel des Tissue Engineering besteht darin, die Regeneration von geschädigtem Gewebe zu fördern, indem Zellen in temporäre, dreidimensionale Stützstrukturen, sogenannte Scaffolds, integriert werden. Biologisch abbaubare Scaffolds spielen in diesem Prozess eine zentrale Rolle, indem sie den Zellen vorübergehend strukturelle Unterstützung bieten. Faserbasierte Vliesstoffe eignen sich besonders gut für diesen Zweck, da ihre faserartige Struktur der natürlichen extrazellulären Matrix ähnelt. Diese Architektur ermöglicht eine hohe Porosität und eine große spezifische Oberfläche, wodurch die Zelladhäsion, -migration und -proliferation gefördert werden.
Polycaprolacton (PCL) ist ein weit verbreitetes Material bei der Herstellung von abbaubaren, faserbasierten Gerüsten. PCL ist ein teilkristalliner, aliphatischer Polyester, der sich durch gute Biokompatibilität, einen kontrollierbaren und vergleichsweise langsamen hydrolytischen Abbau sowie eine gute Verarbeitbarkeit auszeichnet. Durch Elektrospinnen oder Schmelz-Elektrospinnen lassen sich aus PCL Faservliese herstellen, wobei sich die Fasergeometrie, die Porosität und die mechanischen Eigenschaften präzise steuern lassen.
PCL-Gerüste werden häufig im Tissue Engineering für tragende Strukturen wie Sehnen und Muskeln verwendet [1, 2]. Ein bemerkenswerter Sachverhalt, der in diesem Zusammenhang zutage tritt, ist das ausgeprägte Kriechverhalten der Faservliese bei wiederholter Verformung.
Die Mikrostruktur des Materials (siehe Abbildung 1) führt zu zusätzlichen Verformungsmechanismen. So können sich die Fasern bei Einwirkung äußerer Kräfte neu orientieren und in Richtung der aufgebrachten Last ausrichten. Die Kontaktstellen zwischen den Fasern sind anfällig für Brüche. Makroskopisch führt dies im Vergleich zu dicht gepackten Materialien zu einer erhöhten plastischen Verformung bzw. zu verstärktem KriechenKriechen beschreibt eine zeit- und temperaturabhängige plastische Verformung von Werkstoffen unter konstanter Kraft. Wird eine konstante Kraft z.B. auf eine Kautschukmischung aufgebracht, hat die die anfängliche Deformation, die durch diese Kraft erhalten wird, keinen festgelegten Wert.Kriechen. In einem Implantationsszenario wird das Vlies wiederholt Verformungen ausgesetzt, beispielsweise durch die Kontraktion des umgebenden Muskelgewebes.
Mit zunehmender plastischer Verformung des Vlieses besteht die Gefahr, dass es durch Lockerung den Kontakt zum umgebenden Gewebe verliert. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, das dynamische Kriechverhalten von faserbasierten Implantaten zu charakterisieren.
Zug- und Kriecherholungsmessungen an PCL-Vliesstoffen
Die Zug- und Kriecherholungsmessungen wurden bei 37 °C mit einem NETZSCH DMA 303 Eplexor® im Zugmodus durchgeführt. Aus den PCL-Vliesstoffen wurden rechteckige Proben mit einer Länge von 20 mm, einer Breite von 5 mm und einer Dicke von 0,3 mm entnommen (Abbildung 2). Das Material wurde zunächst durch einen quasi-statischen Zugversuch charakterisiert. Dabei wurden eine Dehnungsrate von 0,5 %/s und eine Vorlast von 0,1 N aufgebracht. Die Ergebnisse des Zugversuchs sind in Abbildung 3 dargestellt. Bis zu einer DehnungDehnung beschreibt die Deformation eines Materials, das durch eine von außen einwirkende Kraft oder Spannung mechanisch belastet wird. Gummimischungen zeigen Kriech-Eigenschaften, wenn eine statische Last aufgebracht wird.Dehnung von etwa 8% kann ein elastisches Spannungs-Dehnungs-Verhältnis beobachtet werden.
Die Kriecherholungsmessungen wurden in fünf Zyklen mit einer fest vorgegebenen DehnungDehnung beschreibt die Deformation eines Materials, das durch eine von außen einwirkende Kraft oder Spannung mechanisch belastet wird. Gummimischungen zeigen Kriech-Eigenschaften, wenn eine statische Last aufgebracht wird.Dehnung von 5 % pro Zyklus durchgeführt. Die entsprechenden Messergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt. Die Restdehnung wurde für jeden Messzyklus am Ende der Rückstellphase bestimmt, wie in Abbildung 5 veranschaulicht. Es ist ersichtlich, dass die Restdehnung nach dem ersten Zyklus am stärksten ausgeprägt ist und anschließend kontinuierlich abnimmt. Die Messergebnisse zeigen einen gleichmäßigen Rückgang der Restdehnung über alle Zyklen hinweg. Dies deutet auf eine Annäherung an einen Grenzwert hin und legt nahe, dass das beobachtete Kriechverhalten hauptsächlich auf eine strukturelle Reorganisation innerhalb des Fasernetzwerks zurückzuführen ist und weniger auf viskoelastische oder viskoplastische molekulare Mechanismen.
Fazit
Die Anwendung statischer Zugversuche als vorherrschende Methode zur Charakterisierung von faserbasierten Gerüsten im Tissue Engineering ist nach wie vor gängige Praxis. Nach der Implantation kann es jedoch durch wiederholte Verformung aufgrund der Reorganisation des Fasernetzwerks zu makroskopischem KriechenKriechen beschreibt eine zeit- und temperaturabhängige plastische Verformung von Werkstoffen unter konstanter Kraft. Wird eine konstante Kraft z.B. auf eine Kautschukmischung aufgebracht, hat die die anfängliche Deformation, die durch diese Kraft erhalten wird, keinen festgelegten Wert.Kriechen kommen. Dieser Effekt zeigt sich bei statischen Zugversuchen nicht. Die Resultate des Zugversuchs demonstrieren, dass eine Dehnung von 5 % im elastischen Bereich liegt. Kriech-Rückstellversuche haben jedoch gezeigt, dass bereits bei diesen Dehnungswerten eine Restdehnung auftritt. Daher liefern Kriech-Erholungsversuche mit dem NETZSCH DMA 303 Eplexor® wesentliche Informationen über das mechanische Verhalten von faserbasierten Gerüsten unter dynamischer Last.