TY  - THES
A1  - Zaupa, Alessandro
T1  - Physical crosslinking of gelatin : a supramolecular approach to biomaterials
T1  - Physikalische Quervernetzung von Gelatine : ein supramolekularer Zugang zu Biomaterialien
N2  - This work describes the realization of physically crosslinked networks based on gelatin by the introduction of functional groups enabling specific supramolecular interactions. Molecular models were developed in order to predict the material properties and permit to establish a knowledge-based approach to material design. The effect of additional supramolecular interactions with hydroxyapaptite was then studied in composite materials. The calculated properties are compared to experimental results to validate the models. The models are then further used for the study of physically crosslinked networks. Gelatin was functionalized with desaminotyrosine (DAT) and desaminotyrosyl-tyrosine (DATT) side groups, derived from the natural amino acid tyrosine. These group can potentially undergo to π-π and hydrogen bonding interactions also under physiological conditions. Molecular dynamics (MD) simulations were performed on models with 0.8 wt.-% or 25 wt.-% water content, using the second generation forcefield CFF91. The validation of the models was obtained by the comparison with specific experimental data such as, density, peptide conformational angles and X-ray scattering spectra. The models were then used to predict the supramolecular organization of the polymer chain, analyze the formation of physical netpoints and calculate the mechanical properties. An important finding of simulation was that with the increase of aromatic groups also the number of observed physical netpoints increased. The number of relatively stable physical netpoints, on average zero 0 for natural gelatin, increased to 1 and 6 for DAT and DATT functionalized gelatins respectively. A comparison with the Flory-Rehner model suggested reduced equilibrium swelling by factor 6 of the DATT-functionalized materials in water. The functionalized gelatins could be synthesized by chemoselective coupling of the free carboxylic acid groups of DAT and DATT to the free amino groups of gelatin. At 25 wt.-% water content, the simulated and experimentally determined elastic mechanical properties (e.g. Young Modulus) were both in the order of GPa and were not influenced by the degree of aromatic modification. The experimental equilibrium degree of swelling in water decreased with increasing the number of inserted aromatic functions (from 2800 vol.-% for pure gelatin to 300 vol.-% for the DATT modified gelatin), at the same time, Young’s modulus, elongation at break, and maximum tensile strength increased. It could be show that the functionalization with DAT and DATT influences the chain organization of gelatin based materials together with a controlled drying condition. Functionalization with DAT and DATT lead to a drastic reduction of helical renaturation, that could be more finely controlled by the applied drying conditions. The properties of the materials could then be influenced by application of two independent methods. Composite materials of DAT and DATT functionalized gelatins with hydroxyapatite (HAp) show a drastic reduction of swelling degree. In tensile tests and rheological measurements, the composites equilibrated in water had increased Young’s moduli (from 200 kPa up to 2 MPa) and tensile strength (from 57 kPa up to 1.1 MPa) compared to the natural polymer matrix without affecting the elongation at break. Furthermore, an increased thermal stability from 40 °C to 85 °C of the networks could be demonstrated. The differences of the behaviour of the functionalized gelatins to pure gelatin as matrix suggested an additional stabilizing bond between the incorporated aromatic groups to the hydroxyapatite.
N2  - Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung von durch spezifische physikalische Wechselwirkungen quervernetzten Gelatine-basierten Materialien. Dazu wurden zunächst Computermodelle entwickelt, mit denen Eigenschaften der Materialien vorhergesagt werden sollten, um so eine wissensbasierte Entwicklung zu ermöglichen, um dann die Ergebnisse mit experimentellen Daten zu vergleichen und die Materialien und Modelle als Grundlage für weitere Entwicklungen zu nutzen. Gelatine wurde mit Desaminotyrosin (DAT) und Desaminotyrosyltyrosin (DATT) funktionalisiert, die sich von der natürlichen Aminosäure Tyrosin ableiten. Diese Gruppen können potentiell π-π Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen auch unter physiologischen Bedingungen eingehen. Es wurden Computersimulationen der Materialien mittels Moleküldynamik durchgeführt, wobei Modelle mit 0.8 Gew.-% und 25 Gew.-% Wassergehalt betrachtet wurden. Die Validierung der Modelle erfolgte durch Vergleich der errechneten mit experimentellen Daten wie z.B. der Dichte, Bindungswinkeln sowie Röntgenstreuungsspektren. Die Modelle wurden dann zur Vorhersage der molekularen Organisation der Polymerketten, Formierung physikalischer Netzpunkte und Berechnung der mechanischen Eigenschaften eingesetzt. Die Funktionalisierung der Gelatine mit DAT bzw. DATT führten wie gewünscht zur Ausbildung physikalischer Netzpunkte durch π-π Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken¬bindungen. Ein Schlüsselergebnis der Simulationen war, dass mit zunehmender Zahl an aromatischen Gruppen auch eine Zunahme der physikalischen Netzpunkte beobachtet werden konnte. Die funktionalisierten Gelatinen konnten durch chemoselektive Reaktion der Aminogruppen der Gelatine mit den freien Carboxylgruppen von DAT und DATT hergestellt werden. Materialien mit 25 Gew.-% Wassergehalt hatten in der Simulation und im Experiment mechanische Eigenschaften derselben Größenordnung (z.B. E-Moduln im unteren GPa-Bereich). Der Quellungsgrad der Materialien im Experiment nahm mit zunehmender Zahl an aromatische Gruppen ab (von 2800 Vol.-% auf 300 Vol.-%), wobei der Elastizitätsmodul, die Bruchdehnung sowie die Zugfestigkeit zunahmen. Die Funktionalisierung der Gelatine ist eine chemische Methode, um die Kettenanordnung auf molekularer Ebene zu beeinflussen, während die genaue Kontrolle der Trocknungs¬bedinguungen von Gelatine-basierten Materialien eine physikalische Methode mit demselben Ziel ist. Es konnte gezeigt werden, dass die Funktionalisierung von Gelatine mit DAT oder DATT zu einer stark verminderten Helixausbildungstendenz, die jedoch durch Variation der Trocknunsgbedingungen noch fein abgestimmt werden konnte. Somit konnten die mechanischen Eigenschaften von Filmen aus funktionlisierter Gelatine mit zwei unabhängigen Methoden eingestellt werden. Komposite der mit DAT oder DATT funktionalisierten Gelatine und Hydroxyapatit (HAp) zeigten deutlich verringerter Quellung. In Zugdehnungsexperimenten und rheologischen Untersuchungen zeigten die Komposite im Gleichgewichtsquellungszustand erhöhte Elastizitätsmoduln (von 200 kPa auf bis zu 2 MPa) und Zugfestigkeit (von 57 kPa auf bis zu 1.1 MPa). Darüber hinaus konnte die Übergangstemperatur Tc deutlich gesteigert werden (von ca. 40 °C auf > 85 °C). Dieses Verhalten ließ sich auf stabilisierende Bindungen zwischen den aromatische Gruppen und dem HAp zurückführen.
KW  - Physikalische Quervernetzung
KW  - Supramolekularen Wechselwirkung
KW  - Molekulare Modellierung
KW  - Biomaterialien
KW  - Gelatine
KW  - Komposite
KW  - Hydroxyapatit
KW  - Physical Network
KW  - Supramolecular Interaction
KW  - Molecular modeling
KW  - Biomaterial
KW  - Gelatin
KW  - Composite
KW  - Hydroxyapatite
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52888
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rusu, Viorel Marin
T1  - Composite materials made of chitosan and nanosized apatite : preparation and physicochemical characterization
T1  - -
N2  - Taking inspiration from nature, where composite materials made of a polymer matrix and inorganic fillers are often found, e.g. bone, shell of crustaceans, shell of eggs, etc., the feasibility on making composite materials containing chitosan and nanosized hydroxyapatite were investigated. A new preparation approach based on a co-precipitation method has been developed. In its earlier stage of formation, the composite occurs as hydrogel as suspended in aqueous alkaline solution. In order to get solid composites various drying procedures including freeze-drying technique, air-drying at room temperature and at moderate temperatures, between 50oC and 100oC were used. Physicochemical studies showed that the composites exhibit different properties with respect to their structure and composition. IR and Raman spectroscopy probed the presence of both chitosan and hydroxyapatite in the composites. Hydroxyapatite as dispersed in the chitosan matrix was found to be in the nanosize range (15-50 nm) and occurs in a bimodal distribution with respect to its crystallite length. Two types of distribution domains of hydroxyapatite crystallites in the composite matrix such as cluster-like (200-400 nm) and scattered-like domains were identified by the transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD) and by confocal scanning laser microscopy (CSLM) measurements. Relaxation NMR experiments on composite hydrogels showed the presence of two types of water sites in their gel networks, such as free and bound water. Mechanical tests showed that the mechanical properties of composites are one order of magnitude less than those of compact bone but comparable to those of porous bone. The enzymatic degradation rates of composites showed slow degradation processes. The yields of degradation were estimated to be less than 10% by loss of mass, after incubation with lysozyme, for a period of 50 days. Since the composite materials were found biocompatible by the in vivo tests, the simple mode of their fabrication and their properties recommend them as potential candidates for the non-load bearing bone substitute materials.
N2  - Inspiriert von Natur, bei der Kompositmaterialien aus Polymermatrices und anorganischen Füllstoffen z.B. in Knochen, Krustentieren und Eierschalen vorzufinden sind, wurde die Herstellungsmöglichkeit von Kompositmaterial aus Chitosan und Hydroxyapatitdispersionen untersucht. Basierend auf einem Kopräzipitationsverfahren wurde eine neue Herstellungsmethode entwickelt, die als flexibler Zugang zu einem Spektrum von Komposittypen führt. In den frühen Phasen der Kompositbildung entsteht ein in der wässrigen alkalischen Lösung suspendiertes Hydrogel, das durch Filtration und Zentrifugation isoliert werden kann. IR und Ramanspektroskopie klären das Vorhandensein von Chitosan und Hydroxyapatit im Kompositmaterial. Hydroxyapatit ist als Nanopartikel der Größe von 15-50 nm in bimodaler Verteilung in der Chitosanmatrix dispersiert, und in durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), X-Ray Diffraction (XRD) und Konfokaler Laserscanmikroskopie (CSLM) nachweisbaren 200-400 nm großen Clustern assembliert. NMR-Relaxationsmessungen an Hydrogelkompositmaterial decken die Existenz zweier Klassen vorkommenden Wassers im Netzwerk auf, gebundenes und freies Wasser. Mechanische Tests zeigen, dass die mechanische Festigkeit etwa eine Größenordnung unter der von massivem Knochen liegt, der Festigkeit von porösem Knochen aber gleichkommt. Enzymatische Abbauraten des Kompostimaterials sind als langsam einzuschätzen. Eine 50-tägige Einwirkzeit von Lysozym führte zu einem Abbau von 10 % der Kompositmasse. Die sich durch in vivo Tests herausstellende Biokompatibilität, die einfachen Herstellungsmöglichkeiten und die physikochemischen Eigenschaften empfehlen dieses Material als vielversprechenden Kandidaten für Knochenersatzmaterial in mäßig belasteten Bereichen.
KW  - Chitosan
KW  - Hydroxyapatit
KW  - Nanopartikel
KW  - Kompositmaterial
KW  - Chitosan
KW  - hydroxyapatite
KW  - nanoparticles
KW  - composites
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2316
ER  -