Bestimmung des Zetapotentials von Calcium-Phosphat-Partikeln in wässriger und organischer Phase

Measurement of the zeta potential from calcium phosphate particles in a liquid and organic phase

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-20406
  • Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung des Zetapotentials von Calciumphosphaten, um Aussagen über die elektrostatische Stabilisierung der Partikel in flüssiger Phase und damit verbundener Prozesse, wie Agglomeration, Adsorption oder die rheologischen Eigenschaften von Pulversuspensionen machen zu können. Für den Herstellungs- und Verarbeitungsprozess feinkörniger Calciumphosphat-Zementmischungen spielt das Zetapotential eine entscheidende Rolle. Die Mahlung der Edukte, beispielsweise DCPA, muss zur Erreichung hoher Endfeinheiten in flüssigerZiel dieser Arbeit war die Bestimmung des Zetapotentials von Calciumphosphaten, um Aussagen über die elektrostatische Stabilisierung der Partikel in flüssiger Phase und damit verbundener Prozesse, wie Agglomeration, Adsorption oder die rheologischen Eigenschaften von Pulversuspensionen machen zu können. Für den Herstellungs- und Verarbeitungsprozess feinkörniger Calciumphosphat-Zementmischungen spielt das Zetapotential eine entscheidende Rolle. Die Mahlung der Edukte, beispielsweise DCPA, muss zur Erreichung hoher Endfeinheiten in flüssiger Phase erfolgen. Verwendung finden hierbei verschiedene Suspensionsmedien, wie Methanol, Ethanol oder Isopropanol. Suspensionsmedien, die zu einem hohen Zetapotential der Partikeloberfläche führen (Wasser, Alkohol/H3PO4), minimieren die Agglomeration der Partikel und führen zur gewünschten Spaltung von Partikeln und nicht von Agglomeraten. So kann DCPA in Wasser (Zetapotential -18.4mV) bis zu einer mittleren Korngröße von 0.6µm nach 24h aufgemahlen werden, während Isopropanol (Zetapotential -2.8mV) nur eine Endfeinheit von ca. 2µm der mittleren Korngröße 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, können hohe Potentiale der Partikeloberfläche im Bereich von -30mV bis -45mV eingestellt werden. Die Partikelaufladung führt zu einer verbesserten Dispergierung feiner Partikel und zu einer Viskositätsabnahme der Zementpaste analog zur Wirkung von Alkalicitraten. Auch die Modifikation der Zemente mit Antibiotika führt teilweise zu starken Änderungen des Zetapotentials. Bei Verwendung von Gentamicinsulfat ist sie sogar mit einer Ladungsumkehr der Partikeloberfläche verbunden. In nachfolgenden Untersuchungen konnte dieses Verhalten mit Änderungen der Abbindeeigenschaften der Zemente in Zusammenhang gebracht werden. Die Bestimmung des Zetapotentials stellt somit einen nützlichen Parameter zur Abschätzung der Verarbeitungseigenschaften von Calciumphosphat-Pulversuspensionen dar. Durch Modifikation der flüssigen Phase mit Additiven kann Einfluss auf das Zetapotential genommen und so die rheologischen Eigenschaften der Suspension eingestellt werden, etwa um injizierbare Calciumphosphat-Zemente für eine minimal-invasive Applikation der Zementpaste herstellen zu können.show moreshow less
  • The objective of this work was the measurement of the zeta potential from calcium phosphate particles to predict the electrostatic stability of particles in liquid phase and associated processes like agglomeration, adsorption or the rheological properties of powder suspensions. The zeta potential plays a crucial role for the fabrication and processing of fine sized calcium phosphate particles and cement mixtures. The grinding of the cement educts, for example DCPA, has to be performed in a liquid phase, to obtain fine end grain sizes. SuitableThe objective of this work was the measurement of the zeta potential from calcium phosphate particles to predict the electrostatic stability of particles in liquid phase and associated processes like agglomeration, adsorption or the rheological properties of powder suspensions. The zeta potential plays a crucial role for the fabrication and processing of fine sized calcium phosphate particles and cement mixtures. The grinding of the cement educts, for example DCPA, has to be performed in a liquid phase, to obtain fine end grain sizes. Suitable suspension media are e.g. methanol, ethyl alcohol or isopropanol. A suspension medium, which leads to a high zeta potential of the particle surface (water, alcohol/H3PO4), minimises the agglomeration of particles and results in the favoured splitting of the particles and not in the splitting of agglomerates. DCPA can be ground in water (zeta potential -18.4mV) to an average particle size of 0.6µm after 24h, whereas grinding in isopropanol (zeta potential -2.8mV) results in particle sizes of approx. 2µm following the same grinding regime. The zeta potential also plays a significant role for the processing of the cement paste in terms of the rheological properties. By modification of the cement paste with multivalued anions, for example alkali phosphates, high potentials of the particle surface in the range of -30mV to -45mV can be adjusted. The particle charge leads to a better dispersion of the small particles and also to a viscosity decrease of the cement paste, similar to the effect when using alkali ion citrate salts. Similarly the modification of cement with antibiotics leads partly to a high variation of the zeta potential. The use of gentamicin sulfate is associated with a reversal charge of their particle surface. This behavior was linked to a change of the setting properties of the cement in further studies. The measurement of the zeta potential is a very useful parameter to evaluate the processing properties of calcium phosphate powder suspensions. The zeta potential can be influenced by modification of the fluid phase with additive, such that the rheological properties of the suspension can be adjusted to produce injectable calcium phosphate cements for a minimal-invasive application of the cement paste.show moreshow less

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Metadaten
Author: Kai-Uwe Felix Schimmang
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-20406
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Plastische Gesichtschirurgie
Date of final exam:2006/11/21
Language:German
Year of Completion:2006
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Tag:Agglomeration; Calciumphosphatzemente; Knochenersatz; Suspension; Zetapotential
calcium; cement; phosphate; potential; zeta
Release Date:2006/11/22
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Roger Thull