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C. Hofstetter:
"Entwicklung und medizintechnische Anwendung von Vinylester-basierten, biokompatiblen und bioabbaubaren Photopolymeren";
Supervisor, Reviewer: J. Stampfl, R. Liska, F. Moscato; Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnik, 2019; oral examination: 02-28-2019.

Wie kaum eine andere Technologie verändert die additive Fertigungstechnologie - engl. Additive Manufacturing Technology (AMT) - seit mehreren Jahren ganze Industriezweige. Vor allem in der Medizintechnik, speziell für Knochenersatz-Implantate, wird der additiven Fertigung eine vielversprechende Zukunft vorausgesagt (-> Stichwort personalisierte Medizin). Der Vorteile der additiven Fertigung gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden für den Patienten liegt dabei klar auf der Hand, da man damit patientenspezifisch, individualisierte Medizinprodukte ohne Einschränkung der Gestaltungsfreiheit fertigen kann und nicht wie bisher von uniformierten Einheitsprodukten aus der Massenfertigung abhängig ist. Schon heute werden additiv gefertigte Prothesen und Implantate - meist aus Metall bzw. Keramik - aber immer öfter auch Kunststoffe erfolgreich eingesetzt. Diese Materialien verbleiben ein Leben lang im Körper des Patienten und übernehmen die Funktion des ersetzten Körperteiles dauerhaft. Die allgemeine Einschränkung solcher Anwendungen ist die Biokompatibilität des verwendeten Materials mit dem menschlichen Körper und dem menschlichen Metabolismus. Ein ideales, nicht abbaubares Implantat sollte dabei bioinert sein. Dies bedeutet, dass es zu keinen Wechselwirkungen mit dem umliegenden Gewebe und somit zu keiner entzündlichen oder toxischen Reaktion kommen sollte.
In den letzten Jahren fokussierte sich die Medizintechnik verstärkt auf bioabbaubare Knochenersatz-Implantate, welche nach Erfüllung ihres Zweckes vom Körper metabolisiert werden können und somit keine Spuren eines Fremdkörpers hinterlassen. Aufgrund der Wechselwirkung mit dem menschlichen Gewebe, handelt es sich bei abbaubaren Knochenersatzmaterialien nicht um bioinerte Materialien, womit auch die Abbauprodukte des Implantats höchste Biokompatibilität aufweisen müssten. Der Vorteil von diesen über die Zeit degradierbaren Implantaten wäre, dass der nachwachsende Knochen in der Wachstumsphase in das Knochenersatz-Implantat einwachsen und nach und nach die mechanische Last von diesem übernehmen könnte.
Die Bottom-up-Stereolithographie hat sich zu einer weit verbreiteten additiven Fertigungstechnologie für Lithographie- basierte Verfahren (L-AMT) entwickelt, um Teile für biomedizinische Anwendungen mit hoher Genauigkeit herzustellen. Die gebräuchlichsten Photopolymere z.B.: (Meth)Acrylate, weisen dabei hohe Zytotoxizität und geringe Biokompatibilität auf. Darüber hinaus ist aufgrund der geringen Bruchdehnung der (Meth)Acrylate eine Verwendung als Knochenersatzmaterial kaum möglich. Neuartige Photopolymere auf Vinylester-Basis zeigten dagegen eine sehr gute Biokompatibilität und zudem vorteilhafte Bioabbaubarkeit. Aktuelle Studien konnten zudem zeigen, dass durch die Optimierung der kommerziell erhältlichen Vinylester-Monomere durch Einbringung von Ringstrukturen in die Molekülstruktur, die mechanischen Eigenschaften dieser Biophotopolymere erheblich gesteigert werden konnten und welche nun den Anforderungen für den Einsatz als Knochenersatzmaterial entsprechen würden. Jedoch sind diese Biophotopolymere auf Basis von Vinylester-Monomeren aufgrund ihrer trägen Reaktivität schwer via L-AMT zu prozessierbar bzw. benötigen diese eine spezielle Post-Polymerisationsbehandlung, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
Ziel dieser Arbeit war es somit, diese neuartigen biokompatiblen, bioabbaubaren Vinylester-basierten Photopolymere zu untersuchen und zu charakterisieren um danach optimierte Formulierungen für die einfache Prozessierung via L-AMT zu entwickeln. Dazu sollten diese neuartigen Vinylester-Photopolymere auf der Materialseite bzgl. mechanischer Eigenschaften und Abbauverhalten bzw. auf der Prozessierungsseite bzgl. Reaktivität und Verbaubarkeit via L-AMT im Detail untersucht und abgestimmt werden. Am Ende sollten patientenspezifische Implantate gedruckt und in einer Großtierstudie untersucht werden, um die Eignung von Vinylester-basierten Biophotopolymeren als Knochenersatzmaterial zu belegen.