@phdthesis{Roedel2019,
  author    = {R{\"o}del, Michaela},
  title     = {Development of Dual Setting Cement Systems as Composite Biomaterials with Ductile Properties},
  doi       = {10.25972/OPUS-18277},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-182776},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Synthetic bone replacement materials have their application in non-load bearing defects with the function of (re-)construction or substitution of bone. This tissue itself represents a biological composite material based on mineralized collagen fibrils and combines the mechanical strength of the mineral with the ductility of the organic matrix. By mimicking these outstanding properties with polymer-cement-composites, an imitation of bone is feasible. A promising approach for such replacement materials are dual setting systems, which are generated by dissolution-precipitation reaction with cement setting in parallel to polymerization and gelation of the organic phase forming a coherent hydrogel network. Hereby, the high brittleness of the pure inorganic network was shifted to a more ductile and elastic behavior. The aim of this thesis was focused on the development of different dual setting systems to modify pure calcium phosphate cements' (CPCs') mechanical performance by incorporation of a hydrogel matrix. A dual setting system based on hydroxyapatite (HA) and cross-linked 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) via radical polymerization was advanced by homogenous incorporation of a degradable cross-linker composed of poly(ethylene glycol) (PEG) as well as poly(lactic acid) (PLA) with reactive terminal methacrylate functionalities (PEG-PLLA-DMA). By integration of this high molecular weight structure in the HEMA-hydrogel network, a significant increase in energy absorption (toughness) under 4-point bending testing was observed. An addition of only 10 wt\% hydrogel precursor (referred to the liquid phase) resulted in a duplication of stress over a period of 8 days. Additionally, the calculated elasticity was positively affected and up to six times higher compared to pure HA. With a constantly applied force during compressive strength testing, a deformation and thus strain levels of about 10 \% were reached immediately after preparation. For higher degradability, the system was modified in a second approach regarding organic as well as inorganic phase. The latter component was changed by brushite forming cement that is resorbable in vivo due to solubility processes. This CPC was combined with a hydrogel based on PEG-PLLA-DMA and other dimethacrylated PEGs with different molecular weights and concentrations. Hereby, new reaction conditions were created including a shift to acidic conditions. On this ground, the challenge was to find a new radical initiator system. Suitable candidates were ascorbic acid and hydrogen peroxide. that started the polymerization and successful gelation in this environment. These highly flexible dual set composites showed a very high ductility with an overall low strength compared to HA-based models. After removal of the applied force during compressive strength testing, a complete shape recovery was observed for the samples containing the highest polymeric amount (50 wt\%) of PEG-PLLA-DMA. Regarding phase distribution in the constructs, a homogenously incorporated hydrogel network was demonstrated in a decalcifying study with ethylenediaminetetraacetic acid. Intact, coherent hydrogels remained after dissolution of the inorganic phase via calcium ion complexation. In a third approach, the synthetic hydrogel matrix of the previously described system was replaced by the natural biopolymer gelatin. Simultaneously to brushite formation, physical as well as chemical cross-linking by the compound genipin was performed in the dual setting materials. Thanks to the incorporation of gelatin, elasticity increased significantly, in which concentrations up to 10.0 w/v\% resulted in a certain cohesion of samples after compressive strength testing. They did not dissociate in little pieces but remained intact cuboid specimens though having cracks or fissures. Furthermore, the drug release of two active pharmaceutical ingredients (vancomycin and rifampicin) was investigated over a time frame of 5 weeks. The release exponent was determined according to Korsmeyer-Peppas with n = 0.5 which corresponds to the drug liberation model of Higuchi. A sustained release was observed for the antibiotic vancomycin encapsulated in composites with a gelatin concentration of 10.0 w/v\% and a powder-to-liquid ratio of 2.5 g/mL. With respect to these developments of different dual setting systems, three novel approaches were successfully established by polymerization of monomers and cross-linking of precursors forming an incorporated, homogenous hydrogel matrix in a calcium phosphate network. All studies showed an essential transfer of mechanical performance in direction of flexibility and bendability.},
  subject      = {Calciumphosphate},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schimmang2006,
  author    = {Schimmang, Kai-Uwe Felix},
  title     = {Bestimmung des Zetapotentials von Calcium-Phosphat-Partikeln in w{\"a}ssriger und organischer Phase},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-20406},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung des Zetapotentials von Calciumphosphaten, um Aussagen {\"u}ber die elektrostatische Stabilisierung der Partikel in fl{\"u}ssiger Phase und damit verbundener Prozesse, wie Agglomeration, Adsorption oder die rheologischen Eigenschaften von Pulversuspensionen machen zu k{\"o}nnen. F{\"u}r den Herstellungs- und Verarbeitungsprozess feink{\"o}rniger Calciumphosphat-Zementmischungen spielt das Zetapotential eine entscheidende Rolle. Die Mahlung der Edukte, beispielsweise DCPA, muss zur Erreichung hoher Endfeinheiten in fl{\"u}ssiger Phase erfolgen. Verwendung finden hierbei verschiedene Suspensionsmedien, wie Methanol, Ethanol oder Isopropanol. Suspensionsmedien, die zu einem hohen Zetapotential der Partikeloberfl{\"a}che f{\"u}hren (Wasser, Alkohol/H3PO4), minimieren die Agglomeration der Partikel und f{\"u}hren zur gew{\"u}nschten Spaltung von Partikeln und nicht von Agglomeraten. So kann DCPA in Wasser (Zetapotential -18.4mV) bis zu einer mittleren Korngr{\"o}ße von 0.6µm nach 24h aufgemahlen werden, w{\"a}hrend Isopropanol (Zetapotential -2.8mV) nur eine Endfeinheit von ca. 2µm der mittleren Korngr{\"o}ße ergibt. Das Zetapotential spielt auch bei der anschließenden Verarbeitung der Zementpasten im Hinblick auf die rheologischen Eigenschaften eine große Rolle. Durch Modifikation der Zementpaste mit mehrwertigen Anionen, etwa Alkaliphosphaten, k{\"o}nnen hohe Potentiale der Partikeloberfl{\"a}che im Bereich von -30mV bis -45mV eingestellt werden. Die Partikelaufladung f{\"u}hrt zu einer verbesserten Dispergierung feiner Partikel und zu einer Viskosit{\"a}tsabnahme der Zementpaste analog zur Wirkung von Alkalicitraten. Auch die Modifikation der Zemente mit Antibiotika f{\"u}hrt teilweise zu starken {\"A}nderungen des Zetapotentials. Bei Verwendung von Gentamicinsulfat ist sie sogar mit einer Ladungsumkehr der Partikeloberfl{\"a}che verbunden. In nachfolgenden Untersuchungen konnte dieses Verhalten mit {\"A}nderungen der Abbindeeigenschaften der Zemente in Zusammenhang gebracht werden. Die Bestimmung des Zetapotentials stellt somit einen n{\"u}tzlichen Parameter zur Absch{\"a}tzung der Verarbeitungseigenschaften von Calciumphosphat-Pulversuspensionen dar. Durch Modifikation der fl{\"u}ssigen Phase mit Additiven kann Einfluss auf das Zetapotential genommen und so die rheologischen Eigenschaften der Suspension eingestellt werden, etwa um injizierbare Calciumphosphat-Zemente f{\"u}r eine minimal-invasive Applikation der Zementpaste herstellen zu k{\"o}nnen.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Deffner2004,
  author    = {Deffner, Christian},
  title     = {Calciumphoshatzemente als Antibiotika-freisetzende Knochenersatzwerkstoffe},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-14063},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Calciumphosphatzemente, die aus den Edukten TTCP und DCPD hergestellt wurden, k{\"o}nnen nicht ohne weiteres mit Clindamycinhydrochlorid, Gentamicinsulfat und Vancomycinhydrochlorid kombiniert werden, ohne daß die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Zementmischungen ver{\"a}ndert werden. Bei der Kombination mit Amoxicillinnatrium und Clavulans{\"a}urekalium ver{\"a}ndern sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften sowohl des Zementes als auch der Antibiotika nicht gravierend. W{\"a}hrend des Abbindevorgangs reagiert TTCP mit Wasser teilweise zu stark basischem Calciumoxid. Dies f{\"u}hrt einerseits zu einer Freisetzung von Chlor- und Sulfat-Ionen, andererseits zur Bildung der freien Base des gel{\"o}sten Antibiotikums. Die freigesetzten Ionen nehmen Einfluß auf das Zeta-Potential der Partikeloberfl{\"a}chen und ver{\"a}ndern so die rheologischen Eigenschaften der Zemente. Sie werden in den pr{\"a}zipitierenden Hydroxylapatit eingebaut und verschlechtern hierdurch die mechanische Stabilit{\"a}t der abgebundenen Zemente. Die hierbei auftretenden Porosit{\"a}ten verhindern eine langsame Abgabe der Wirkstoffe, es kommt zu einem hohen initialen Freisetzen (Burst). Durch die Umwandlung der Salze in die freie Base aufgrund des basischen Reaktionsumfeldes steht nicht die gesamte Menge der enthaltenen Antibiotika f{\"u}r die Diffusion aus dem Zement zur Verf{\"u}gung. Die noch im Zement enthaltene Restmenge kann bei einer pH-Wert-{\"A}nderung beispielsweise aufgrund einer Entz{\"u}ndung und des hierbei sauren Gewebe-pH-Werts unkontrolliert freigesetzt werden. In weiterf{\"u}hrenden Untersuchungen muß versucht werden, die gegenseitige Beeinflussung von CPC und Pharmakon zu vermeiden. Dies kann mit Hilfe von Wirkstoff-beladenen, biodegradierbaren PLGA-Mikropartikeln erreicht werden. Ferner muß die antimikrobielle Wirksamkeit auf die Zielorganismen und die Biokompatibilit{\"a}t von derartigen neuen Depotsystemen in vivo untersucht werden, um die klinische Anwendbarkeit des Verfahrens zu {\"u}berpr{\"u}fen.},
  language  = {de}
}