Optimization of poly(3-hydroxybutyrate) based biocomposite with respect to its printability and mechanical properties

Předkládaná práce se věnuje přípravě a optimalizaci biokompatibilního materiálu na bázi poly(3-hydroxybutyrátu). Dalšími složkami připravených vzorků jsou poly(kyselina mléčná), hydroxyapatit a komerční změkčovadlo Syncroflex3114. Jednotlivé složky byly vybrány na základě jejich biokompatibility a vlastností potenciálně využitelných v tkáňovém inženýrství. Obsahem teoretické části práce je zpracování obecného přehledu kostní tkáně a rešerše materiálů využívaných v regeneraci kostí. Část práce se také věnuje problematice scaffoldů. Součástí experimentální práce je plánovaný experiment, který slouží k optimalizaci směsi s ohledem na tisknutelnost a mechanické vlastnosti. Prvním krokem je příprava vzorků na základě navržených podmínek a jejich následné zpracování do formy filamentu s přesným průměrem 1,75 mm pro 3D tisk metodou modelování depozicí taveniny. Z připravených filamentů byla vytištěna testovací tělesa pro následující experimenty: teplotní věž, měření warping koeficientu, ohybová a tlaková zkouška. Data z těchto experimentů byla zpracována pomocí matematického modelu do formy rovnic a grafů, které znázorňují vliv složek materiálu na měřenou veličinu. Bylo zjištěno, že nejvýznamněji vlastnosti ovlivňuje množství změkčovadla ve vzorku. Tento vliv je ve všech případech negativní a zhoršuje vybrané hodnocené vlastnosti materiálu. Výsledkem plánovaného experimentu je také receptura optimalizovaná na co nejlepší tisknutelnost a mechanické vlastnosti (ohybový modul 3,3 GPa a tlakový modul 2,3 GPa). S ohledem na potenciální aplikaci materiálu ve tkáňovém inženýrství kostí byly pro vybrané vzorky provedeny první screeningové testy urychlené biodegradace. Výsledky urychlené degradace nejsou jednoznačné a je nutná jejich další optimalizace. Současně s diplomovou prací probíhalo biologické testování nosičů vytištěných na 3D tiskárně z vybraných připravených materiálů. Všechny testované vzorky byly shledány jako biokompatibilní.The presented theses deals with preparation and optimalization of biocompatible material based on poly(3-hydroxybutyrate). Other components of prepared samples are polylactid acid, hydroxyapatite and commercially available plasticizer Syncroflex3114. These components were chosen based on their biocompatibility and properties that can be possibly used in tissue engineering. Theoretical part of this theses contains general overview of bone tissue and review of materials used in bone tissue regeneration. Part of this thesis also deals with the problematics of scaffolds. Aim of the experimental part is a planned experiment, which is used to optimize the mixture with respect to printability and mechanical properties. The first step is the preparation of samples based on the proposed conditions and their subsequent processing into a filament with an exact diameter of 1,75 mm for 3D printing using the fused deposition modeling method. From the prepared filaments, test specimens were printed for the following experiments: temperature tower, warping coefficient measurement, bending and pressure test. Data from these experiments were processed using a mathematical model in the form of graphs and equations which show the effect of material components on the measured quantity. It was found that the amount of plasticizer in the sample affects the properties the most. This effect is negative in all cases and worsens the properties of the material. The result of the planned experiment is also a mixture optimized for the best possible printability and mechanical properties (bending modulus 3,3 GPa and pressure modulus 2,3 GPa). With regard to the potential application of the material in bone tissue engineering, the first accelerated biodegradation screening tests were performed for selected samples. The results of accelerated degradation tests are ambiguous and further optimization is needed. Simultaneously with the diploma thesis, biological testing of scaffolds printed on a 3D printer from prepared samples took place. All tested samples were found to be biocompatible.