TY  - THES
A1  - Meininger [geb. Christ], Susanne
T1  - Processing of calcium and magnesium phosphate cements for bone substitution
T1  - Verarbeitung von Calcium- und Magnesiumphosphatzementen als Knochenersatz
N2  - The main focus of this thesis was the processing of different calcium and magnesium phosphate cements together with an optimization of mechanical and biological properties. Therefore, different manufacturing techniques like 3D powder printing and centrifugally casting were employed for the fabrication of reinforced or biomedically improved implants.
One of the main problems during 3D powder printing is the low green strength of many materials, especially when they are only physically bonded and do not undergo a setting reaction. Such materials need post-treatments like sintering to exhibit their full mechanical performance. However, the green bodies have to be removed from the printer requiring a certain stability. With the help of fiber reinforcement, the green strength of printed gypsum samples could be increased by the addition of polymeric and glass fibers within the printing process. The results showed that fiber reinforcement during 3D powder printing is possible and opens up diverse opportunities to enhance the damage tolerance of green bodies as well as directly printed samples. The transfer to biomedically relevant materials like calcium and magnesium phosphate cements and biocompatible fibers would be the next step towards reinforced patient-specific implants.
In a second approach, centrifugally casting derived from construction industries was established for the fabrication of hollow bioceramic cylinders. The aim was the replacement of the diaphysis of long bones, which exhibit a tubular structure with a high density of cortical bone on the fringe. By centrifugation, cement slurries with and without additives could be fabricated to tubes. As a first establishment, the processing parameters regarding the material (e.g. cement composition) as well as the set-up (e.g. rotation times) had to be optimized for each system. In respect of mechanics, such tubes can keep up with 3D powder printed tubes, although the mechanical performance of 3D printed tubes is strongly dependent on printing directions. Additionally, some material compositions like dual setting systems cannot be fabricated by 3D powder printing. Therefore, a transfer of such techniques to centrifugally casting enabled the fabrication of tubular structures with an extremely high damage tolerance due to high deformation ability. A similar effect was achieved by fiber (mesh) addition, as already shown for 3D powder printing. Another possibility of centrifugally casting is the combination of different materials resulting in graded structures to adjust implant degradation or bone formation. This became especially apparent for the incorporation of the antibiotic vancomycin, which is used for the treatment of bacterial implant infections. A long-term release could be achieved by the entrapment of the drug between magnesium phosphate cement layers. Therefore, the release of the drug could be regulated by the degradation of the outer shell, which supports the release into an acidic bacterial environment. The centrifugally casting technique exhibited to be a versatile tool for numerous materials and applications including the fabrication of non-centrosymmetric patient-specific implants for the reconstruction of human long bones.
The third project aimed to manufacture strontium-substituted magnesium phosphate implants with improved biological behavior by 3D powder printing. As the promoting effect of strontium on bone formation and the inhibitory impact on bone resorption is already well investigated, the incorporation of strontium into a degradable magnesium phosphate cement promised a fast integration and replacement of the implant. Porous structures were obtained with a high pore interconnectivity that is favorable for cell invasion and bone ingrowth. Despite the porosity, the mechanical performance was comparable to pure magnesium phosphate cement with a high reliability of the printed samples as quantitatively determined by Weibull statistics. However, the biological testing was impeded by the high degradation rate and the relating ion release. The high release of phosphate ions into surrounding media and the detachment of cement particles from the surface inhibited osteoblast growth and activity. To distinguish those two effects, a direct and indirect cell seeding is always required for degradable materials. Furthermore, the high phosphate release compared to the strontium release has to be managed during degradation such that the adverse effect of phosphate ions does not overwhelm the bone promoting effect of the strontium ions.
The manufacturing techniques presented in this thesis together with the material property improvement offer a diverse tool box for the fabrication of patient-specific implants. This includes not just the individual implant shape but also the application like bone growth promotion, damage tolerance and local drug delivery. Therefore, this can act as the basis for further research on specific medical indications.
N2  - Der Fokus dieser Dissertation lag auf der Verarbeitung von Calcium- und Magnesiumphosphatzementen zusammen mit der Optimierung mechanischer und biologischer Eigenschaften. Dazu wurden verschiedene Produktionsverfahren wie beispielsweise der 3D Pulverdruck und der Schleuderguss verwendet, um mechanisch verstärkte oder biomedizinisch verbesserte Implantate herzustellen.
Eines der Hauptprobleme des 3D Pulverdrucks ist die geringe Festigkeit des Grünkörpers vieler Materialien, besonders wenn diese lediglich physikalisch gebunden sind und keine Abbindereaktion durchlaufen. Solche Materialien müssen nachbearbeitet werden, beispielsweise durch Sintern, um ihre volle mechanische Leistungsfähigkeit zu entfalten. Die Grünkörper müssen jedoch aus dem 3D Drucker entnommen werden können, was eine gewisse Stabilität erfordert. Mit Hilfe der Faserverstärkung konnte die Festigkeit von gedruckten Grünkörper aus Gips erhöht werden, indem Polymer- und Glasfasern innerhalb des Druckprozesses eingebracht wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass Faserverstärkung innerhalb des 3D Pulverdrucks möglich ist und dabei vielfältige Möglichkeiten eröffnet, um die Schadenstoleranz von Grünkörpern wie auch von direkt gedruckten Proben zu verbessern. Der nächste Schritt hin zu verstärkten, patientenspezifischen Implantaten wäre die Übertragung auf biomedizinisch relevante Materialien wie Calcium- und Magnesiumphosphatzemente und biokompatible Fasern.
In einem zweiten Ansatz wurde der aus dem Baugewerbe stammende Schleuderguss für die Herstellung hohler Zylinder aus Biokeramik etabliert. Das Ziel war es, die Diaphyse von Röhrenknochen zu ersetzen, die eine tubuläre Struktur mit einer hohen Dichte an kortikalem Knochen am Rand aufweist. Durch Zentrifugieren konnten Zementpasten mit und ohne Additive zu Röhren verarbeitet werden. Zunächst mussten dabei die Prozessparameter bezüglich Material (z.B. Zementzusammensetzung) ebenso wie bezüglich der Einstellungen (z.B. Rotationszeiten) für jedes System optimiert werden. Im Hinblick auf ihre mechanischen Eigenschaften können solche Röhren mit 3D pulvergedruckten Röhren mithalten, obwohl die mechanische Leistungsfähigkeit von 3D gedruckten Röhren stark von der Druckrichtung abhängt. Zusätzlich können einige Materialkombinationen wie dual-abbindende Systeme nicht mit 3D Pulverdruck verarbeitet werden. Daher ermöglicht eine Übertragung solcher Techniken auf den Schleuderguss die Fertigung tubulärer Strukturen mit extrem hoher Schadenstoleranz aufgrund hoher Verformbarkeit. Wie bereits für das 3D Pulverdrucken gezeigt, konnte ein ähnlicher Effekt durch die Zugabe von Fasern (Geweben) erzielt werden. Eine weitere Möglichkeit des Schleudergusses ist die Kombination verschiedener Materialien zu gradientenartigen Strukturen, um den Implantatabbau oder die Knochenbildung anzupassen. Dies war besonders wichtig für die Einbringung des Antibiotikums Vancomycin, das für die Behandlung bakterieller Implantatinfektionen eingesetzt wird. Eine Langzeitfreisetzung konnte durch den Einbau des Arzneistoffs zwischen Magnesiumphosphatschichten erreicht werden. Dadurch konnte die Freisetzung des Wirkstoffs durch den Abbau der äußeren Hülle geregelt werden, was die Freisetzung in das saure Milieu von Bakterien unterstützt. Der Schleuderguss erwies sich als vielseitiges Werkzeug für viele Materialien und Anwendungen, was die Herstellung von nicht-zentrosymmetrischen, patientenspezifischen Implantaten zur Rekonstruktion von menschlichem Röhrenknochen einschließt.
Das dritte Projekt zielte auf die Herstellung Strontium-substituierter Magnesiumphosphatimplantaten mittels 3D Pulverdruck mit verbessertem biologischen Verhalten ab. Da die unterstützende Wirkung von Strontium auf die Knochenbildung und die Hemmung des Knochenabbaus bereits eingehend untersucht sind, versprach die Einbringung von Strontium in den abbaubaren Magnesiumphosphatzement eine schnelle Integration und Ersatz des Implantats. Es konnten poröse Strukturen mit einer hohen Poreninterkonnektivität erhalten werden, was förderlich für die Einwanderung von Zellen und das Einwachsen von Knochen ist. Neben der Porosität waren auch die mechanischen Eigenschaften vergleichbar mit reinem Magnesiumphosphatzement mit einer hohen Verlässlichkeit der gedruckten Proben, was quantitativ durch eine Weibullstatistik bestimmt wurde. Die biologische Testung wurde allerdings durch die hohe Degradationsrate und der damit einhergehenden Ionenfreisetzung erschwert. Die hohe Freisetzung von Phosphationen in das umgebende Medium und die Ablösung von Zementpartikeln von der Oberfläche verhinderten das Wachstum und Aktivität der Osteoblasten. Um diese beiden Effekte voneinander unterscheiden zu können, war eine direkte und indirekte Zellbesiedelung der abbaubaren Materialien notwendig. Des Weiteren muss die hohe Phosphatfreisetzung im Vergleich zur Strontiumfreisetzung während des Abbaus derart gesteuert werden, dass die negativen Effekte der Phosphationen nicht die Förderung des Knochenaufbaus durch Strontiumionen überwiegen.
Die in dieser Dissertation dargestellten Fertigungstechniken zusammen mit der Verbesserung der Materialeigenschaften bieten eine vielfältige Palette zur Herstellung patientenspezifischer Implantate. Dies beinhaltet nicht nur eine individuelle Implantatgeometrie, sondern auch eine Verbesserung der Schadenstoleranz, die Förderung des Knochenwachstums sowie eine lokale Wirkstofffreisetzung. Daher kann diese Arbeit als Grundlage für weitere Forschung im Bereich spezifischer, medizinischer Indikationen dienen.
KW  - Calciumphosphate
KW  - Knochenzemente
KW  - 3D powder printing
KW  - Schleuderguss
KW  - Knochenersatz
KW  - centrifugally casting
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-169126
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weichhold, Jan Lukas
T1  - Injectable calcium phosphate-based bone replacement cements
T1  - Injizierbare calciumphosphat-basierte Knochenersatzzemente
N2  - The human body has very good self-healing capabilities for numerous different injuries to a variety of different tissues. This includes the main human mechanical framework, the skeleton. The skeleton is limited in its healing without additional aid by medicine mostly by the defect size. When the defect reaches a size above 2.5 cm the regeneration of the defect ends up faulty. Here is where implants, defect fillers and other support approaches developed in medicine can help the body to heal the big defect still successfully.
Usually sturdy implants (auto-/allo-/xenogenic) are implanted in the defect to bridge the distance, but for auto- and allogenic implants a suitable donor site must be found and for all sources the implant needs to be shaped into the defect specific site to ensure a perfect fit, the best support and good healing. This shaping is very time consuming and prone to error, already in the planning phase. The use of a material that is moldable and sets in the desired shape shortly after applying negates these disadvantages. Cementitious materials offer exactly this property by being in a pasty stage after the powder and liquid components have been mixed and the subsequently hardening to a solid implant. These properties also enable the extrusion, and therefore may also enable the injection, of the cement via a syringe in a minimal invasive approach.
To enable a good injection of the cement modifications are necessary. This work aimed to modify commonly used calcium phosphate-based cement systems based on α-TCP (apatitic) and β-TCP (brushitic). These have been modified with sodium phytate and phytic acid, respectively. Additionally, the α-TCP system has been modified with sodium pyrophosphate, in a second study, to create a storable aqueous paste that can be activated once needed with a highly concentrated sodium orthophosphate solution.
The powder phase of the α-TCP cement system consisted of nine parts α-TCP and one part CDHA. These were prepared to have different particle sizes and therefore enable a better powder flowability through the bimodal size distribution. α-TCP had a main particle size of 20 μm and CDHA of 2.6 μm. The modification with sodium phytate led to an adsorption of phytate ions on the surface of the α-TCP particles, where they started to form complexes with the Ca2+ ions in the solution. This adsorption had two effects. The first was to make the calcium ions unavailable, preventing supersaturation and ultimately the precipitation of CDHA what would lead to the cement hardening. The second was the increase of the absolute value of the surface charge, zeta potential, of the powder in the cement paste. Here a decrease from +3 mV to -40 mV could be measured. A strong value for the zeta potential leads to a higher repulsion of similarly charged particles and therefore prevents powder agglomeration and clogging on the nozzle during injection. These two modifications (bimodal particles size distribution and phytic acid) lead to a significant increase in the paste injectability. The unmodified paste was injectable for 30 % only, where all modified pastes were practically fully injectable ~90 % (the residual paste remained in the nozzle, while the syringe plunger already reached the end of the syringe).
A very similar observation could be made for the β-TCP system. This system was modified with phytic acid. The zeta potential was decreased even stronger from -10 ± 1.5 mV to -71.5 ± 12 mV. The adsorption of the phytate ions and subsequent formation of chelate complexes with the newly dissolved Ca2+ ions also showed a retarding effect in the cements setting reaction. Where the unmodified cement was not measurable in the rheometer, as the reaction was faster than the measurement setup (~1.5 min), the modified cements showed a transition through the gel point between 3-6 min. This means the pastes stayed between 2 and 4 times longer viscous than without the modification. Like with the first cement system also here the effects of the phytate addition showed its beneficial influence in the injectability measurement. The unmodified cement was not injectable at all, due to the same issue already encountered at the rheology measurements, but all modified pastes were fully injectable for at least 5 min (lowest phytate concentration) and at least 10 min (all other concentrations) after the mixing of powder and liquid.
The main goal of the last modification with sodium pyrophosphate was to create a paste that was stable in aqueous environment without setting until the activation takes place, but it should still show good injectability as this was the desired way of application after activation. Like before also the zeta potential changed after the addition of pyrophosphate. It could be lowered from -22 ± 2mV down to -61 to -68 ± 4mV (depending on the pyrophosphate concentration). The pastes were stored in airtight containers at room temperature and checked for their phase composition over 14 days. The unmodified paste showed a beginning phase conversion to hydroxyapatite between 7 and 14 days. All other pastes were still stable and unreacted. The pastes were activated with a high concentrated (30 wt%) sodium orthophosphate solution. After the activation the pastes were checked for their injectability and showed an increase from -57 ± 11% for the unmodified paste to -89 ± 3% (practically fully injectable as described earlier) for the best modified paste (PP005).
It can be concluded that the goal of enabling full injection of conventional calcium phosphate bone cement systems was reached. Additional work produced a storage stable paste that still ensures full injectability. Subsequent work already used the storable paste and modified it with hyaluronic acid to create an ink for 3D extrusion printing. The first two cement systems have also already been investigated in cell culture for their influence on osteoblasts and osteoclasts. The next steps would have to go more into the direction of translation. Figuring out what properties still need to be checked and where the modification needs adjustment to enable a clinical use of the presented systems.
N2  - Der menschliche Körper verfügt über sehr gute Selbstheilungsfähigkeiten für zahlreiche verschiedene Verletzungen in unterschiedlichen Geweben. Dazu gehört auch das wichtigste mechanische Gerüst des Menschen, das Skelett. Das Skelett ist in seiner Heilung ohne zusätzliche Hilfe durch die Medizin vor allem durch die Defektgröße begrenzt. Erreicht der Defekt eine Größe von mehr als 2,5 cm, ist die Regeneration des Defekts nicht mehr gewährleistet. Hier können Implantate, Defektfüller und andere in der Medizin entwickelte Unterstützungsansätze dem Körper helfen, den großen Defekt noch erfolgreich zu heilen.
In der Regel werden stabile Implantate (auto-/allo-/xenogen) in den Defekt eingesetzt, um den Abstand zu überbrücken. Für auto- und allogene Implantate muss jedoch eine geeignete Spenderstelle gefunden werden, und für alle Quellen muss das Implantat in die defektspezifische Stelle geformt werden, um eine perfekte Passform, den besten Halt und eine gute Heilung zu gewährleisten. Diese Formgebung ist sehr zeitaufwendig und fehleranfällig, schon in der Planungsphase. Die Verwendung eines Materials, das formbar ist und kurz nach dem Auftragen in der gewünschten Form aushärtet, negiert diese Nachteile. Zementartige Materialien bieten genau diese Eigenschaft, indem sie sich nach dem Vermischen von Pulver und flüssigen Komponenten in einem pastösen Stadium befinden und anschließend zu einem festen Implantat aushärten. Diese Eigenschaften ermöglichen auch die Extrusion und damit möglicherweise auch die Injektion des Zements über eine Spritze in einem minimalinvasiven Verfahren.
Um eine gute Injektion des Zements zu ermöglichen, sind Modifikationen erforderlich. Ziel dieser Arbeit war es, die gängigen Zementsysteme auf Kalziumphosphatbasis zu modifizieren, die auf α-TCP (apatitisch) und β-TCP (brushitisch) basieren. Diese wurden mit Natriumphytat bzw. Phytinsäure modifiziert. Zusätzlich wurde das α-TCP-System in einer zweiten Studie mit Natriumpyrophosphat modifiziert, um eine lagerfähige wasserbasierte Paste zu schaffen, die bei Bedarf mit einer hochkonzentrierten Natriumorthophosphatlösung aktiviert werden kann.
Die Pulverphase des α-TCP-Zementsystems bestand aus neun Teilen α-TCP und einem Teil CDHA. Diese wurden so aufbereitet, dass sie unterschiedliche Partikelgrößen aufweisen und somit eine bessere Fließfähigkeit des Pulvers durch die bimodale Größenverteilung ermöglichen. α-TCP hatte eine Hauptpartikelgröße von 20 μm und CDHA von 2,6 μm. Die Modifizierung mit Natriumphytat führte zu einer Adsorption von Phytat-Ionen an der Oberfläche der α-TCP-Partikel, wo sie Komplexe mit den Ca2+-Ionen in der Lösung zu bilden begannen. Diese Adsorption hatte zwei Auswirkungen. Die erste bestand darin, dass die Calciumionen nicht mehr verfügbar waren, wodurch die Übersättigung und letztlich die Ausfällung von CDHA verhindert wurde, was zur Erhärtung des Zements geführt hätte. Der zweite Effekt war die Erhöhung des Betrags der Oberflächenladung, des Zetapotenzials, des Pulvers in der Zementpaste. Hier konnte eine Abnahme von +3 mV auf -40 mV gemessen werden. Ein hoher Wert für das Zetapotenzial führt zu einer stärkeren Abstoßung ähnlich geladener Teilchen und verhindert somit die Agglomeration des Pulvers und das Verstopfen der Kanüle während der Injektion. Diese beiden Modifikationen (bimodale Partikelgrößenverteilung und Phytinsäure) führen zu einer deutlichen Verbesserung der Injektionsfähigkeit der Paste. Die unmodifizierte Paste war nur zu 30 % injizierbar, während alle modifizierten Pasten praktisch vollständig injizierbar waren ~90 %(die Restpaste blieb in der Kanüle, während der Spritzenkolben bereits das Ende der Spritze erreichte).
Eine sehr ähnliche Beobachtung konnte für das β-TCP-System gemacht werden. Dieses System wurde mit Phytinsäure modifiziert. Das Zetapotenzial sank noch stärker von -10 ± 1,5 mV auf -71,5 ± 12mV. Die Adsorption der Phytat-Ionen und die anschließende Bildung von Chelatkomplexen mit den neu gelösten Ca2+-Ionen zeigten ebenfalls eine verzögernde Wirkung bei der Abbindereaktion des Zements. Während der unmodifizierte Zement im Rheometer nicht messbar war, da die Reaktion schneller verlief als der Messaufbau (~1,5 min), zeigten die modifizierten Zemente einen Übergang durch den Gelpunkt zwischen 3-6 min. Dies bedeutet, dass die Pasten zwischen 2 und 4 mal länger viskos blieben als ohne die Modifikation. Wie beim ersten Zementsystem zeigte sich auch hier der positive Einfluss des Phytatzusatzes bei der Messung der Injektionsfähigkeit. Der unmodifizierte Zement war überhaupt nicht injizierbar,
was auf das gleiche Problem zurückzuführen ist, das bereits bei den rheologischen Messungen aufgetreten ist, aber alle modifizierten Pasten waren mindestens 5 min (niedrigste Phytatkonzentration) und mindestens 10 min (alle anderen Konzentrationen) nach dem Mischen von Pulver und Flüssigkeit vollständig injizierbar.
Das Hauptziel der letzten Modifikation mit Natriumpyrophosphat bestand darin, eine Paste zu schaffen, die in wässriger Umgebung stabil ist und bis zur Aktivierung nicht aushärtet, die aber dennoch eine gute Injektionsfähigkeit aufweisen sollte, da dies die gewünschte Art der Anwendung nach der Aktivierung war. Wie zuvor änderte sich auch das Zetapotenzial nach der Zugabe von Pyrophosphat. Es konnte von -22 ± 2mV auf -61 bis -68 ± 4mV (abhängig von der Pyrophosphatkonzentration) gesenkt werden. Die Pasten wurden in luftdichten Behältern bei Raumtemperatur gelagert und über 14 Tage auf ihre Phasenzusammensetzung untersucht. Die unmodifizierte Paste zeigte zwischen 7 und 14 Tagen eine beginnende Phasenumwandlung in Hydroxyapatit. Alle anderen Pasten waren noch stabil und nicht umgewandelt. Die Pasten wurden mit einer hochkonzentrierten (30 Gew.-%) Natriumorthophosphatlösung aktiviert. Nach der Aktivierung wurden die Pasten auf ihre Injektionsfähigkeit geprüft und zeigten einen Anstieg von -57 ± 11 % für die unmodifizierte Paste auf -89 ± 3 % (praktisch vollständig injizierbar, wie zuvor beschrieben) für die beste modifizierte Paste (PP005).
Daraus lässt sich schließen, dass das Ziel, die vollständige Injektion herkömmlicher Kalziumphosphat-Knochenzementsysteme zu ermöglichen, erreicht wurde. Weitere Arbeiten führten zu einer lagerstabilen Paste, die dennoch eine vollständige Injektionsfähigkeit gewährleistet. In nachfolgenden Arbeiten wurde die lagerfähige Paste bereits verwendet und mit Hyaluronsäure modifiziert, um eine Tinte für den 3D-Extrusionsdruck herzustellen. Die ersten beiden Zementsysteme wurden auch bereits in Zellkulturen auf ihren Einfluss auf Osteoblasten und Osteoklasten untersucht. Die nächsten Schritte müssten mehr in Richtung Translation gehen. Es gilt herauszufinden, welche Eigenschaften noch überprüft werden müssen und wo die Modifikation angepasst werden muss, um einen klinischen Einsatz der vorgestellten Systeme zu ermöglichen.
KW  - Calciumphosphat
KW  - Cement
KW  - Knochenersatz
KW  - Zement
KW  - Injectability
KW  - Bone-replacement
KW  - IP6
KW  - Modification
KW  - Rheology
KW  - Setting Control
KW  - Calcium Phosphate
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-326616
ER  -