Jan Lukas Weichhold

• 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 sturdyThe 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.…
• 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 demDer 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.…