@phdthesis{Vorndran2011,
  author    = {Vorndran, Elke},
  title     = {Rapid-Prototyping hydraulisch h{\"a}rtender Calcium- und Magnesiumphosphatzemente mit lokaler Wirkstoffmodifikation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-70245},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war die Herstellung individuell formbarer Strukturen mittels des 3D-Pulverdrucks auf Basis von bei Raumtemperatur hydraulisch abbindenden Knochenzementpulvern. Neben der Entwicklung neuartiger Zementformulierungen auf Basis von Magnesiumphosphaten war vor allem die gleichzeitige Ausstattung der Werkstoffe mit temperaturlabilen und bioaktiven Verbindungen ein wichtiger Entwicklungsschritt. Die Lokalisation der Wirkstoffe korreliert dabei mit entsprechenden Farbinformationen im Design der Konstrukte, die durch einen Mehrfarbendrucker physikalisch abgebildet werden. Das auf Calciumphosphat basierende System hat den Nachteil, dass die Abbindereaktion bei stark sauren pH-Werten abl{\"a}uft, was negative Auswirkungen auf die gleichzeitige Ausstattung mit sensitiven Wirkstoffen hat. Zur L{\"o}sung dieser Problematik wurde ein neues Knochenzementpulver auf Magnesiumphosphatbasis entwickelt, welches unter neutralen pH-Bedingungen mit ammoniumhaltigem Binder zu dem Mineral Struvit abbindet. Das Zementpulver aus Trimagnesiumphosphat wurde bez{\"u}glich der pulvertechnologischen Eigenschaften, wie Partikelgr{\"o}ße, Partikelgr{\"o}ßenverteilung, Gl{\"a}ttungseigenschaften und Sch{\"u}ttdichte sowie hinsichtlich des Abbindeverhaltens charakterisiert und f{\"u}r den Druckprozess optimiert. Die hohe Strukturgenauigkeit erm{\"o}glichte die Darstellung von makropor{\"o}sen Strukturen mit einem minimalen Porendurchmesser von ca. 200 µm. Gute mechanische Kennwerte der gedruckten Strukturen, sowie eine hohe Umsetzungsrate zur gew{\"u}nschten Phase Struvit wurden durch eine Nachh{\"a}rtung in Ammoniumphosphatl{\"o}sung erhalten. Die Druckfestigkeit betrug > 20 MPa und der Phasenanteil von Struvit konnte auf insgesamt 54 \% gesteigert werden. Die Darstellung von wirkstoffmodifizierten Calciumphosphat- und Magnesiumphosphatstrukturen durch Verwendung eines Mehrfarbendruckers wurde beginnend vom Design der Strukturen bis hin zur experimentellen Bestimmung der Korrelation von Farbinformation und Binderapplikation etabliert. Zur Sicherstellung einer hohen Druckqualit{\"a}t und der Ortsst{\"a}ndigkeit gedruckter Wirkstoffe erwies sich eine zus{\"a}tzliche Modifikation des Tricalciumphosphatpulvers mit quellf{\"a}higen Polymeren (Hydroxypropylmethyl-cellulose (HPMC) bzw. Chitosan) als erfolgreich. Eine maximale Aufl{\"o}sung von ca. 400 µm konnte f{\"u}r eine HPMC/Chitosan/Calciumphosphat-Variante erreicht werden, w{\"a}hrend das hochreaktive Magnesiumphosphat/Magnesiumoxid-System eine Aufl{\"o}sung von 480 µm aufwies. Die Ortsst{\"a}ndigkeit eingebrachter L{\"o}sungen war Voraussetzung f{\"u}r die Steuerung der Freisetzungskinetik. Das Freisetzungsverhalten in vitro wurde in Abh{\"a}ngigkeit von der Wirkstofflokalisation (homogen, Depot, Gradient) innerhalb der Matrix und unter Einbringung zus{\"a}tzlicher polymerer Diffusionsbarrieren f{\"u}r den Wirkstoff Vancomycin untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Modifikation der Matrices mit Polymeren zu einer verz{\"o}gerten Freisetzung f{\"u}hrte. Die lokale Wirkstoffmodifikation der Matrices in Form eines Depots oder Gradienten hatte Einfluss auf die Freisetzungskinetik, wobei eine lineare Freisetzung mit der Zeit (Kinetik 0. Ordnung) erreicht werden konnte. Die applizierten Wirkstoffe umfassten sowohl niedermolekulare Verbindungen, wie etwa das Antibiotikum Vancomycin oder das Polysaccharid Heparin, als auch proteinbasierte Faktoren wie den Knochenwachstumsfaktor rhBMP-2. Beurteilt wurde die pharmakologische Wirksamkeit der Verbindungen nach dem Druck, sowie nach der Freisetzung aus einer Calciumphosphatmatrix f{\"u}r den Wirkstoff Vancomycin. Es konnte belegt werden, dass die biologische Aktivit{\"a}t nach dem Druckprozess zu {\"u}ber 80 \% erhalten blieb. Limitierend war der stark saure pH-Wert bei bruschitbasierten Systemen, der zu einer Inaktivierung des Proteins f{\"u}hrte. Diesem Problem k{\"o}nnte durch die Nutzung des neutral abbindenden Magnesiumphosphatsystems entgegengewirkt werden. Abschließend erfolgten eine mikrostrukturelle Charakterisierung der Calciumphosphat- und Magnesiumphosphatmatrices mittels µ-CT-Analyse und Heliumpyknometrie, sowie eine quantitative Phasenanalyse nach Rietveld. Experimentell konnte nachgewiesen werden, dass mit Hilfe des 3D-Pulverdruck die Darstellung von Makroporen > 200 µm m{\"o}glich ist. Die Analyse der Phasenzusammensetzung ergab, dass die Umsetzungsrate von Tricalciumphosphat und Trimagnesiumphosphat zu den gew{\"u}nschten Phasen Bruschit und Struvit infolge des Nachh{\"a}rtungsprozesses signifikant gesteigert werden konnte. Im Zuge dessen nahm die Porosit{\"a}t der gedruckten Matrices der Phase Struvit von 58 \% auf 26 \% und der Phase Bruschit von 47 \% auf 38 \% ab.},
  subject      = {3D-Druck},
  language  = {de}
}
@article{KowalewiczVorndranFeichtneretal.2021,
  author    = {Kowalewicz, Katharina and Vorndran, Elke and Feichtner, Franziska and Waselau, Anja-Christina and Brueckner, Manuel and Meyer-Lindenberg, Andrea},
  title     = {In-vivo degradation behavior and osseointegration of 3D powder-printed calcium magnesium phosphate cement scaffolds},
  series = {Materials},
  volume    = {14},
  journal   = {Materials},
  number    = {4},
  issn      = {1996-1944},
  doi       = {10.3390/ma14040946},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-228929},
  year      = {2021},
  abstract  = {Calcium magnesium phosphate cements (CMPCs) are promising bone substitutes and experience great interest in research. Therefore, in-vivo degradation behavior, osseointegration and biocompatibility of three-dimensional (3D) powder-printed CMPC scaffolds were investigated in the present study. The materials Mg225 (Ca\(_{0.75}\)Mg\(_{2.25}\)(PO\(_4\))\(_2\)) and Mg225d (Mg225 treated with diammonium hydrogen phosphate (DAHP)) were implanted as cylindrical scaffolds (h = 5 mm, {\O} = 3.8 mm) in both lateral femoral condyles in rabbits and compared with tricalcium phosphate (TCP). Treatment with DAHP results in the precipitation of struvite, thus reducing pore size and overall porosity and increasing pressure stability. Over 6 weeks, the scaffolds were evaluated clinically, radiologically, with Micro-Computed Tomography (µCT) and histological examinations. All scaffolds showed excellent biocompatibility. X-ray and in-vivo µCT examinations showed a volume decrease and increasing osseointegration over time. Structure loss and volume decrease were most evident in Mg225. Histologically, all scaffolds degraded centripetally and were completely traversed by new bone, in which the remaining scaffold material was embedded. While after 6 weeks, Mg225d and TCP were still visible as a network, only individual particles of Mg225 were present. Based on these results, Mg225 and Mg225d appear to be promising bone substitutes for various loading situations that should be investigated further.},
  language  = {en}
}