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Tantalmodifikationen auf Implantat-Stahl für kardiale Stents, Herstellung und Charakterisierung
(2004)
Mit Hilfe der PVD-Technik (Physical Vapour Disposition) hergestellte Tantal/Tantaloxidschichten auf Edelstahlplättchen wurden bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Biokompatibilität untersucht. Dabei kamen als Untersuchungsmethoden die Rasterelektronenmikroskopie (REM), das XRD (X-Ray Diffraction) und die Sekundär-Neutralteilchen-Massen-Spektrometrie (SNMS) zum Einsatz. Abschließend wurden die Repassivierungseigenschaften der Oberfläche des Systems Stahl/Tantal/Tantaloxid unter mechanischer Belastung bestimmt.
Objective: The objective of this study was to investigate the applicability of microanalytical methods with high spatial resolution to the characterization of the composition and corrosion behavior of two bracket systems.
Material and methods: The surfaces of six nickel-free brackets and six nickel-containing brackets were examined for signs of corrosion and qualitative surface analysis using an electron probe microanalyzer (EPMA), prior to bonding to patient's tooth surfaces and four months after clinical use. The surfaces were characterized qualitatively by secondary electron (SE) images and back scattered electron (BSE) images in both compositional and topographical mode. Qualitative and quantitative wavelength-dispersive analyses were performed for different elements, and by utilizing qualitative analysis the relative concentration of selected elements was mapped two-dimensionally. The absolute concentration of the elements was determined in specially prepared brackets by quantitative analysis using pure element standards for calibration and calculating correction-factors (ZAF).
Results: Clear differences were observed between the different bracket types. The nickel-containing stainless steel brackets consist of two separate pieces joined by a brazing alloy. Compositional analysis revealed two different alloy compositions, and reaction zones on both sides of the brazing alloy. The nickel-free bracket was a single piece with only slight variation in element concentration, but had a significantly rougher surface. After clinical use, no corrosive phenomena were detectable with the methods applied. Traces of intraoral wear at the contact areas between the bracket slot and the arch wire were verified. Conclusion: Electron probe microanalysis is a valuable tool for the characterization of element distribution and quantitative analysis for corrosion studies.
In dieser Arbeit werden biologisch relevante Oberflächen untersucht, die in der Medizin bzw. in der Biologie eine wichtige Rolle spielen. Die Proteinadsorption auf Implantat-Oberflächen wurde charakterisiert, um wichtige Informationen über den Adsorptionsprozess zu erhalten. Das Fernziel hierbei ist, durch ein umfassendes Wissen über diesen für die Implantation wichtigen Schritt Biomaterialien mit möglichst hoher Gewebeverträglichkeit zu entwickeln. Die Verteilung von Propolis auf der Wachs-Oberfläche von Bienenwaben wurde untersucht, um mehr über dessen Nutzen, der noch nicht vollständig aufgeklärt ist, zu erfahren und um auf mögliche Auswirkungen einer veränderten Wabenstruktur auf die Kommunikation der Honigbienen Rückschlüsse ziehen zu können. Das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit war, das Adsorptionsverhalten der Proteine Fibrinogen, Albumin und Fibronektin auf Titandioxid, einem in der Medizin häufig als Implantat eingesetzten Material, zu studieren. Die Adsorption von Proteinen auf der Oberfläche von Implantaten ist ein wichtiger Schritt für die Gewebeverträglichkeit bzw. Biokompatibilität dieser Materialien. Es wurden sowohl die räumliche Verteilung der Proteine auf den Implantat-Oberflächen als auch die durch die Adsorption hervorgerufenen strukturellen Veränderungen der Proteine untersucht. Als Methoden wurden hierfür die Laser-Raster-Mikroskopie (LSM), die Kraftfeldmikroskopie (AFM) sowie die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Durch ein umfassendes Wissen über den Adsorptionsprozess der Proteine auf Implantat-Materialien können die Oberflächen der Implantate dahingehend verändert werden, dass es zu einer besseren Proteinadsorption und dadurch zu einer noch geringeren Rate an Abstoßungsreaktionen kommt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse können einen Teil zum Verständnis des Adsorptionsprozesses beitragen. Das Ziel des zweiten Teils dieser Arbeit war es, die chemische Zusammensetzung von Propolis (dem Kittharz der Bienen) und Wabenwachs von Apis mellifera carnica Pollm. sowie die räumliche Verteilung von Propolis auf den Waben-Oberflächen zu untersuchen. Hierzu wurden die Raman-Spektroskopie und Raman-Mapping eingesetzt. Es wurden zunächst Raman-Spektren von Propolis-Proben sowie Raman-Spektren von charakteristischen Standardsubstanzen des Propolis aufgenommen. Das Propolis-Spektrum sowie das Wachs-Spektrum wurden durch eine Auswahl an Standardsubstanzen simuliert. Um herauszufinden, welche Harze von den Bienen gesammelt und als Propolis im Stock verwendet werden, wurden von einigen Harzen, die als Propolis-Quellen in Betracht kommen, Raman-Spektren aufgenommen. Es wurde auch analysiert, ob die Kettenlängen der Alkane, aus denen die Wachse bestehen, einen Einfluss auf die Raman-Spektren hat. Mittels Raman-Mapping wurde schließlich die räumliche Verteilung von Propolis auf der Waben-Oberfläche untersucht. Die hier charakterisierten biologisch relevanten Oberflächen spielen eine wichtige Rolle in der Medizin und in der Biologie. Die Analyse mit mikroskopischen und spektroskopischen Methoden verschafft einen Einblick in die Prozesse, die sich an diesen Oberflächen abspielen. Die Proteinadsorption auf Implantat-Oberflächen sind für die Implantationsmedizin von Bedeutung. Es werden ständig neue Materialien entwickelt, die eine möglichst gute Biokompatibilität aufweisen sollen. Erkenntnisse über die Prozesse, die hierfür eine Rolle spielen, helfen bei der Entwicklung neuer Materialien. Die Verteilung von Propolis auf den Wachs-Oberflächen hat einen Einfluss auf die Materialbeschaffenheit der Waben. Dies könnte die Vibrationsweiterleitung beim Schwänzeltanz der Honigbienen, der für deren Kommunikation von Bedeutung ist, beeinflussen. Die Verteilung des Propolis auf den Waben konnte für kleine Ausschnitte gezeigt werden. Inwiefern eine Propolisschicht auf den Stegen der Waben die Vibrationsweiterleitung tatsächlich beeinflusst, muss durch weiterführende Experimente herausgefunden werden.
Im Rahmen einer randomisierten, prospektiven Cross-over-Studie wurden während der Hämodialyse an chronisch dialysepflichtigen Patienten standardisiert Parameter der Dialyseeffektivität und Biokompatibilität einer neuen, mittels einem Polyelektrolytadditiv modifizierten Dialysemembran, PUREMA® H, im Vergleich zu einer Kontrolldialysemembran, Helixone®, gemessen. Im Vergleich zur Kontrollmembran wies die PUREMA® H-Membran eine verbesserte Entfernung kleinmolekulargewichtiger Eiweiße incl. 2-Mikroglobulin und eine insbesondere für die Komplementaktivierung optimierte Biokompatibilität auf.
A large number of metabolic waste products accumulate in the blood of patients with renal failure. Since these solutes have deleterious effects on the biological functions, they are called uremic toxins and have been classified in three groups: 1) small water soluble solutes (MW < 500 Da), 2) small solutes with known protein binding (MW < 500 Da), and 3) middle molecules (500 Da < MW < 60 kDa). Protein bound uremic toxins are poorly removed by conventional hemodialysis treatments because of their high protein binding and high distribution volume. The prototypical protein bound uremic toxins indoxyl sulfate (IS) and p-cresyl sulfate (pCS) are associated with the progression of chronic kidney disease, cardiovascular outcomes, and mortality of patients on maintenance hemodialysis. Furthermore, these two compounds are bound to albumin, the main plasma protein, via electrostatic and/or Van-der-Waals forces. The aim of the present thesis was to develop a dialysis strategy, based on the reversible modification of the ionic strength in the blood stream by increasing the sodium chloride (NaCl) concentration, in order to enhance the removal of protein bound substances, such as IS and pCS, with the ultimate goal to improve clinical patient outcomes. Enhancing the NaCl concentration ([NaCl]) in both human normal and uremic plasma was efficient to reduce the protein bound fraction of both IS and pCS by reducing their binding affinity to albumin. Increasing the ionic strength was feasible during modified pre-dilution hemodiafiltration (HDF) by increasing the [NaCl] in the substitution fluid. The NaCl excess was adequately removed within the hemodialyzer. This method was effective to increase the removal rate of both protein bound uremic toxins. Its ex vivo hemocompatibility, however, was limited by the osmotic shock induced by the high [NaCl] in the substituate. Therefore, modified pre-dilution HDF was further iterated by introducing a second serial cartridge, named the serial dialyzers (SDial) setup. This setting was validated for feasibility, hemocompatibility, and toxin removal efficiency. A better hemocompatibility at similar efficacy was obtained with the SDial setup compared with the modified pre-dilution HDF. Both methods were finally tested in an animal sheep model of dialysis to verify biocompatibility. Low hemolysis and no activation of both the complement and the coagulation systems were observed when increasing the [NaCl] in blood up to 0.45 and 0.60 M with the modified pre-dilution HDF and the SDial setup, respectively. In conclusion, the two dialysis methods developed to transitory enhance the ionic strength in blood demonstrated adequate biocompatibility and improved the removal of protein bound uremic toxins by decreasing their protein bound fraction. The concepts require follow-on clinical trials to assess their in vivo efficacy and their impact on long-term clinical outcomes.
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, Ø = 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.
The aim is to evaluate the effect of modifying poly[(L-lactide)-co-(epsilon-caprolactone)] scaffolds (PLCL) with nanodiamonds (nDP) or with nDP+physisorbed BMP-2 (nDP+BMP-2) on in vivo host tissue response and degradation. The scaffolds are implanted subcutaneously in Balb/c mice and retrieved after 1, 8, and 27 weeks. Molecular weight analysis shows that modified scaffolds degrade faster than the unmodified. Gene analysis at week 1 shows highest expression of proinflammatory markers around nDP scaffolds; although the presence of inflammatory cells and foreign body giant cells is more prominent around the PLCL. Tissue regeneration markers are highly expressed in the nDP+BMP-2 scaffolds at week 8. A fibrous capsule is detectable by week 8, thinnest around nDP scaffolds and at week 27 thickest around PLCL scaffolds. mRNA levels of ALP, COL1 alpha 2, and ANGPT1 are signifi cantly upregulating in the nDP+BMP-2 scaffolds at week 1 with ectopic bone seen at week 8. Even when almost 90% of the scaffold is degraded at week 27, nDP are observable at implantation areas without adverse effects. In conclusion, modifying PLCL scaffolds with nDP does not aggravate the host response and physisorbed BMP-2 delivery attenuates infl ammation while lowering the dose of BMP-2 to a relatively safe and economical level.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Modifikation von Hydroxylapatit- und Bruschit-Zementen mit 1 % Silber. Ziel war es, den Zementen eine antibakterielle Wirksamkeit bei gleichzeitiger Biokompatibilität ohne Beeinträchtigung ihrer mechanischen Eigenschaften zu verleihen. Durch Mischung von silberdotiertem β-TCP mit Calcium-bis-dihydrogenphosphat Monohydrat (MCPM) bzw. von silberdotiertem α-TCP mit einer 2,5%-Na2HPO4-Lösung entstanden Zementformulierungen, deren Silberfreisetzung, Druckfestigkeit, Abbindezeit sowie Phasenzusammensetzung bestimmt wurde. Desweiteren wurden in vitro-Untersuchungen zur Evaluation der Zytotoxizität mittels Osteoblasten sowie der antibakteriellen Eigenschaften mittels Staph. aureus und Staph. epidermidis durchgeführt. Bei der massenspektrometrischen Analyse der Auslagerungsmedien legte Ag-Bruschit im LB-Medium mit kumulativ 184,5 µg nach 7 Tagen das höchste Freisetzungsverhalten im Vergleich zu Ag-Hydroxylapatit mit 36,8 µg an den Tag; außerdem konnte gezeigt werden, dass sich das molare Verhältnis von Ag+/Ca2+ von theoretisch 1 % bereits bei der Herstellung von Ag+-dotiertem α- bzw. β-TCP auf je 0,78 % reduziert hatte. Die Untersuchung der Phasenzusammensetzung der Zemente wies auf die für die Zemente charakteristischen Beugungsmuster hin. Peaks, die auf Silber hinweisen würden, konnten nicht nachgewiesen werden. Betrachtet man die Druckfestigkeit, konnte der silberdotierte Bruschit-Zement eine leichte Steigerung um 5,1 MPa auf 19,8 MPa erfahren, während der Ag-Hydroxylapatit-Zement nahezu eine Halbierung seiner Festigkeit um 18,5 MPa auf 22,7 MPa erfahren musste. Bei der Auswertung der Versuchsergebnisse wies Ag-Bruschit einen signifikanten bakteriziden Effekt auf, führte aber auch zu einer Reduktion der Osteoblasten auf dieser Oberfläche. Ag-Hydroxylapatit zeigte hingegen nur eine geringe Wirkung gegen die Bakterien, während die Verbindung in dieser in vitro-Studie eher biokompatibel auf die Zellen wirkte. Die in dieser Arbeit modifizierten Zemente sind aufgrund ihrer nicht einheitlichen Ergebnisse hinsichtlich der antibakteriellen Wirksamkeit sowie der wünschenswerten Biokompatibilität für den Einsatz als Knochenersatzmaterial noch nicht geeignet. Die von Ag-Bruschit freigesetzte bakterizide Silbermenge ist für eukaryotische Zellen zu hoch, sodass in weiterführenden Studien diese Freisetzung begrenzt werden müsste.
Hydrophilic (AB)\(_{n}\) Segmented Copolymers for Melt Extrusion‐Based Additive Manufacturing
(2021)
Several manufacturing technologies beneficially involve processing from the melt, including extrusion‐based printing, electrospinning, and electrohydrodynamic jetting. In this study, (AB)\(_{n}\) segmented copolymers are tailored for melt‐processing to form physically crosslinked hydrogels after swelling. The copolymers are composed of hydrophilic poly(ethylene glycol)‐based segments and hydrophobic bisurea segments, which form physical crosslinks via hydrogen bonds. The degree of polymerization was adjusted to match the melt viscosity to the different melt‐processing techniques. Using extrusion‐based printing, a width of approximately 260 µm is printed into 3D constructs, with excellent interlayer bonding at fiber junctions, due to hydrogen bonding between the layers. For melt electrospinning, much thinner fibers in the range of about 1–15 µm are obtained and produced in a typical nonwoven morphology. With melt electrowriting, fibers are deposited in a controlled way to well‐defined 3D constructs. In this case, multiple fiber layers fuse together enabling constructs with line width in the range of 70 to 160 µm. If exposed to water the printed constructs swell and form physically crosslinked hydrogels that slowly disintegrate, which is a feature for soluble inks within biofabrication strategies. In this context, cytotoxicity tests confirm the viability of cells and thus demonstrating biocompatibility of this class of copolymers.
In der hier vorliegenden Studie wurden drei verschiedene Modifikationen des Calcium-Phosphat-Zementes BoneSource® sowie Vergleichssubstanzen hinsichtlich der Überprüfung ihrer Biodegradation und Biokompatibilität untersucht und verglichen. Die histomorphologische Auswertung und Beurteilung der verschiedenen Modifikationen des Calcium-Phosphat-Zementes BoneSource® bezüglich Biodegradation, Resorption und Biokompatibilität sowie die Beurteilung einer eventuellen Osteoneogenese waren damit Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Der Calcium-Phosphat-Zement (CPZ) BoneSource® ohne Zusätze (Versuchsgruppe 1) zeigte dabei eine Osteokonduktivität im Knochen sowie im Muskel- bzw. Weichgewebe eine Biotoleranz. Eine Resorption oder Degradation war im Unterschied zu anderen Studien nicht nachweisbar. Der Calcium-Phosphat-Zement BoneSource® in einem Volumenmischungsverhältnis 1:1 mit dem osteoinduktiven Knochenkollagen (KK) Colloss® (Versuchsgruppe 2) verhielt sich in den Arealen mit BoneSource®-Anteilen (CPZ) wie in Versuchsgruppe 1 osteokonduktiv und bioinert im Knochen und wurde im Muskel- und Weichgewebe biotoleriert. Die Areale mit Colloss® (KK) im Materialgemisch zeigen ein osteoinduktives Potenzial und damit ein bioaktives Verhalten. Es ist hier eine Osteoneogenese zu verzeichnen. Trabekel neuentstandenen Knochens waren dabei sowohl in den Knochen- als auch in den Muskelpräparaten nachweisbar. Eine vollständige knöcherne Substitution der gesetzten Defekte war nicht zu verzeichnen. Der Calcium-Phosphat-Zement BoneSource® mit 1:1-Volumenverhältnismischung mit Alpha-Tricalciumphosphat (BioBase®; Versuchsgruppe 3) führte im Vergleich zur Versuchsgruppe 1 zu einer geringfügigen Verbesserung der osteokonduktiven Eigenschaften mit histologisch nachweisbarer geringfügiger oberflächlicher Degradation und partieller lokaler Resorption. Im Vergleich zur Versuchsgruppe 2 waren diese Resorptionserscheinungen jedoch deutlich weniger ausgeprägt. Bei der Versuchsgruppe 4 wurde als Kontrollgruppe das derzeit meistverwendete nichtresorbierbare polymere Implantatmaterial Polymethylmethacrylat (PMMA; Palacos®) mitgeführt. In beiden Einsatzgebieten (Knochen und Muskel) waren die Implantate eingescheidet und wurden demzufolge biotoleriert. Bei den Knochenpräparaten liegt ein bioinertes Verhalten des Lagergewebes gegenüber PMMA vor. Bei der Versuchsgruppe 5 wurde als 2. Kontrollgruppe ein Leerdefekt präpariert, der mit Gelatine gefüllt wurde, welches bei bekannter Resorptionsfähigkeit innerhalb weniger Wochen postoperativ einen vollständigen Ersatz durch körpereigenen Knochen in den Knochenpräparaten bzw. einen Ersatz durch Narbengewebe in den Muskelpräparaten aufwies. Bei der Versuchsgruppe 6 (Kontrollgruppe) wurde eine nichtoperierte Kohorte Versuchstiere mitgeführt, um alters- und/oder diätbedingte Veränderungen abschätzen bzw. beurteilen zu können. Es fanden sich bei den Versuchstieren am Ende des Versuchszeitraumes lediglich physiologische altersbedingte Veränderungen. Die großen inneren Organe der Versuchstiere wurden histologisch untersucht, um eventuelle systemische Auswirkungen der o.g. Modifikationen des Calcium-Phosphat-Zementes BoneSource® beurteilen zu können. Dabei konnten keine pathologischen Veränderungen gefunden werden. Es liegen somit keine systemischen Auswirkungen der Implantatmaterialien vor. Im Laufe der Versuchszeit traten vereinzelt Tumore auf, die jedoch nicht den Implantatmaterialien geschuldet sind und einer spontanen Tumorgenese zugeordnet werden konnten. Spontane Todesfälle sind unabhängig von den Implantatmaterialien aufgetreten. Gemessen an der Zielsetzung sind die gefundenen Ergebnisse dieser Studie statistisch auswertbar, objektivierbar und für die Weiterentwicklung von Knochenersatzmaterialien relevant. Insbesondere wird auf die in dieser Studie nicht erfolgte Degradation von CPZ und Alpha-TCP und das osteoinduktive Potenzial des untersuchten Kollagens
Activation of the complement system and leukocytes by blood–membrane interactions may further promote arteriosclerosis typically present in patients on lipoprotein apheresis. As clinical data on the hemocompatibility of lipoprotein apheresis are scarce, a controlled clinical study comparing two different types of plasma separation and fractionation membranes used in double-filtration lipoprotein apheresis was urgently needed, as its outcome may influence clinical decision-making. In a prospective, randomized, crossover controlled trial, eight patients on double-filtration lipoprotein apheresis were subjected to one treatment with recent polyethersulfone (PES) plasma separation and fractionation membranes and one control treatment using a set of ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVAL) membranes. White blood cell (WBC) and platelet (PC) counts, complement factor C5a and thrombin–antithrombin III (TAT) concentrations were determined in samples drawn at defined times from different sites of the extracorporeal blood and plasma circuit. With a nadir at 25 minutes, WBCs in EVAL decreased to 33.5 ± 10.7% of baseline compared with 63.8 ± 22.0% at 20 minutes in PES (P < .001). The maximum C5a levels in venous blood reentering the patients were measured at 30 minutes, being 30.0 ± 11.2 µg/L with EVAL and 12.3 ± 9.0 µg/L with PES (P < .05). The highest C5a concentrations were found in plasma after the plasma filters (EVAL 56.1 ± 22.0 µg/L at 15 minutes vs PES 23.3 ± 15.2 µg/L at 10 minutes; P < .001). PC did not significantly decrease over time with both membrane types, whereas TAT levels did not rise until the end of the treatment without differences between membranes. Regarding lipoprotein(a) and low-density lipoprotein (LDL) cholesterol removal, both membrane sets performed equally. Compared with EVAL, PES membranes cause less leukocyte and complement system activation, the classical parameters of hemocompatibility of extracorporeal treatment procedures, at identical treatment efficacy. Better hemocompatibility may avoid inflammation-promoting effects through blood–material interactions in patients requiring double-filtration lipoprotein apheresis.