Process- and Product Development of Functional Supraparticles for Biomedical Additive Manufacturing

Abstract

In the last decades, additive manufacturing -commonly referred to as 3D printing- has gained growing attention driven by increasing digitalization in industry and the biomedical sector. The expression additive manufacturing is used to describe a variety of manufacturing technologies that produce construction parts in a layer-by-layer approach based on CAD files. In comparison to traditional subtractive manufacturing processes, additive manufacturing allows the cheap production of highly complex, individualized specimens in small product series in a short time. These advantages are particularly attractive for the biomedical sector to produce surgical models and patient-specific implants.

In this context, the powder bed fusion laser beam melting process of polymers (PBF-LB/P) is very capable to produce geometrically complex and porous specimens for their use as bone implants. However, the choice of suitable powder materials is very limited up to now. The available materials can be divided into two categories of unfilled polymeric powders, which are almost exclusively based on polyamide 12, and a few filled composite powders. These composite powders are physical mixtures on the micrometer scale of polyamide 12 and additives such as carbon fibers or glass beads. This limited material selection results from the high material requirements imposed by the powder bed fusion process (PBF-LB/P). A suitable powder material needs to provide a wide thermal process window, a well-developed adsorption behavior in the wavelength of the CO2 laser, and high powder flowability.

In this PhD thesis, a colloid-based bottom-up process chain is presented to produce tailored supraparticles for the powder fusion process (PBF-LB/P). In a first step, polymeric and additive primary particle dispersions are prepared. These dispersions are then spray dried either as a pure polymeric dispersion to produce polymer supraparticles or as a dispersion mixture to produce composite supraparticles. The dispersion droplet serves as confinement for the self-assembly of the primary particles. The final supraparticle design can be precisely adjusted via the spray drying process conditions and the primary particle dispersions.

In the first part of the thesis, a system of polymethyl methacrylate (PMMA) and silica (SiO2) is investigated with a special focus on supraparticle formation. The produced supraparticles could be of interest for dental applications. The first aim was to identify suitable spray drying process parameters to obtain spherical supraparticles with good flowability. Then, the powder flowability of the supraparticles is further improved by adjusting the supraparticle roughness.

Subsequently, the structure formation of PMMA-SiO2 composite supraparticles is studied, based on different dispersion mass mixing ratios and primary particle diameter ratios. Furthermore, the drug release from PMMA composite supraparticles is investigated, comprising mesoporous drug-loaded silica (MSiO2) primary particles. Finally, the tailored PMMA and PMMA-SiO2 supraparticles with optimized product properties are applied in the powder bed fusion process (PBF-LB/P).

In the second part of the thesis, a system consisting of polylactide (PLA) and calcium-containing inorganic primary particles is investigated for additively manufactured bone implants. In a first step, PLA primary particles are synthesized via the miniemulsion solvent evaporation process, while binary calcium-silica (Ca-SiO2) and nanohydroxyapatite (HAP) primary particles are produced via sol-gel processes. Subsequently, these colloidal dispersions are spray dried to form tailored supraparticles. The thermal properties and the flowability of the powder material are characterized in detail.

Alternate abstract:

In den letzten Jahrzehnten gewann die Additive Fertigung, oft als 3D Druck bezeichnet, zuneh-mend mehr Aufmerksamkeit angetrieben durch die steigende Digitalisierung in der Industrie und im biomedizinischen Sektor. Unter dem Begriff additive Fertigung versteht man eine Vielzahl von Fertigungstechnologien, welche Schicht für Schicht ein gewünschtes Bauteil basierend auf einem CAD Modell erstellen. Im Vergleich zu traditionellen subtraktiven Fertigungsverfahren können durch die Additive Fertigung hochkomplexe, individualisierte Geometrien, preisgünstig in kleinen Produktserien in kurzer Zeit hergestellt werden. Diese Vorteile der Additiven Ferti-gung sind besonders attraktiv für den biomedizinischen Sektor zur Herstellung von chirurgischen Modellen und patientenspezifischen Implantaten.

Der Pulverbett Laserstrahlschmelzprozess (PBF-LB/P) eignet sich dabei sehr gut zur Herstellung von geometrisch komplexen und porösen Bauteilen für Knochenimplantate aus polymerischen Materialien. Allerdings ist die Materialauswahl zum derzeitigen Zeitpunkt sehr eingeschränkt. Die verfügbaren Pulver unterteilen sich in ungefüllte Polymer Pulver, welche fast ausschließlich auf Polyamid 12 basieren, und gefüllte Kompositpulver, die wiederum physikalische Mischungen auf der Mikrometerskala von Polyamid 12 und Additiven wie Kohlefasern und Glaskugeln darstellen. Diese eingeschränkte Materialauswahl ergibt sich aus den hohen Materialanforderungen durch den Pulverbett Laserstrahlschmelzprozess. Das Pulvermaterial muss neben einer hohe Pulverfließfähigkeit, ein breites thermisches Prozessfenster und ein gut ausgeprägtes Adsorptionsverhalten im Bereich der CO₂Laserwellenläge aufweisen.

In der vorliegenden Doktorarbeit wird eine kolloidbasierte bottom-up Prozesskette zur Herstellung von maßgeschneiderten Suprapartikeln für das Pulverbett Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/P) untersucht. Dabei werden in einem ersten Schritt polymerische und additive Primärpartikeldispersionen hergestellt. Anschließend werden diese entweder als reine polymerische Dispersion zur Herstellung von Polymer Suprapartikeln oder als eine Dispersionsmischung zur Herstellung von Komposit Suprapartikeln in einem Sprühtrocknungsprozess ausgesprüht. Der Dispersionstropfen dient dabei als Konfinement zur Steuerung der Selbstanordnung der Primärpartikel. Das Suprapartikel Produktdesign lässt sich dabei über die Prozessbedingungen im Sprühtrocknungsprozess und die Primärpartikeldispersionen präzise einstellen.

Im ersten Teil der Doktorarbeit wird ein für dentale Anwendungen relevantes Materialsystem bestehend aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und Silica (SiO₂) betrachtet; mit besonderem Fokus auf die Strukturbildung. Dabei werden zuerst geeignete Sprühtrocknungsprozessparameter erarbeitet, welche zu sphärischen und gut fließfähigen Suprapartikeln führen.

Danach wird die Pulver Fließfähigkeit dieser Suprapartikel durch Einstellung der Suprapartikel-rauigkeit weiter verbessert. Im Anschluss daran wird die Strukturbildung von PMMA-SiO₂ Komposit Suprapartikeln basierend auf verschiedenen Dispersion Massenmischungsverhältnissen und Primärpartikel Durchmesserverhältnissen untersucht. Ferner wird die Wirkstofffreisetzung aus PMMA Komposit Suprapartikeln mit mesoporösen wirkstoffbeladenen Silica (MSiO₂) Primärpartikeln beleuchtet. Zum Abschluss werden die maßgeschneiderten PMMA und PMMA-SiO₂Suprapartikel mit optimierten Produkteigenschaften im Pulverbett Laserstrahlschmelzprozess (PBF-LB/P) zu mehrschichtigen Bauteilen verarbeitet.

Im zweiten Teil der Doktorarbeit wird ein Materialsystem basierend auf Polylactid (PLA) und Calcium beladenen anorganischen Primärpartikeln für additiv gefertigte Knochenimplantate untersucht. Hierbei werden zuerst PLA Primärpartikel über das Miniemulsions Lösemittelverdampfungsverfahren und binäre Calcium-Silica (Ca-SiO₂), sowie Nanohydroxyapatit (HAP) Primärpartikel über Sol-Gel Prozesse hergestellt werden und diese anschließend zu maßgeschneiderten Suprapartikeln versprüht werden.