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Dual setting cements composed of an in situ forming hydrogel and a reactive mineral phase combine high compressive strength of the cement with sufficient ductility and bending strength of the polymeric network. Previous studies were focused on the modification with non-degradable hydrogels based on 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA). Here, we describe the synthesis of suitable triblock degradable poly(ethylene glycol)-poly(lactide) (PEG-PLLA) cross-linker to improve the resorption capacity of such composites. A study with four different formulations was established. As reference, pure hydroxyapatite (HA) cements and composites with 40 wt% HEMA in the liquid cement phase were produced. Furthermore, HEMA was modified with 10 wt% of PEG-PLLA cross-linker or a test series containing only 25% cross-linker was chosen for composites with a fully degradable polymeric phase. Hence, we developed suitable systems with increased elasticity and 5-6 times higher toughn ess values in comparison to pure inorganic cement matrix. Furthermore, conversion rate from alpha-tricalcium phosphate (alpha-TCP) to HA was still about 90% for all composite formulations, whereas crystal size decreased. Based on this material development and advancement for a dual setting system, we managed to overcome the drawback of brittleness for pure calcium phosphate cements.
Brushite cements have been clinically used for irregular bone defect filling applications, and various strategies have been previously reported to modify and improve their physicochemical properties such as strength and injectability. However, strategies to address other limitations of brushite cements such as low radiopacity or acidity without negatively impacting mechanical strength have not yet been reported. In this study, we report the effect of substituting the beta-tricalcium phosphate reactant in brushite cement with baghdadite (Ca\(_3\)ZrSi\(_2\)O\(_9\)), a bioactive zirconium-doped calcium silicate ceramic, at various concentrations (0, 5, 10, 20, 30, 50, and 100 wt%) on the properties of the final brushite cement product. X-ray diffraction profiles indicate the dissolution of baghdadite during the cement reaction, without affecting the crystal structure of the precipitated brushite. EDX analysis shows that calcium is homogeneously distributed within the cement matrix, while zirconium and silicon form cluster-like aggregates with sizes ranging from few microns to more than 50 µm. X-ray images and µ-CT analysis indicate enhanced radiopacity with increased incorporation of baghdadite into brushite cement, with nearly a doubling of the aluminium equivalent thickness at 50 wt% baghdadite substitution. At the same time, compressive strength of brushite cement increased from 12.9 ± 3.1 MPa to 21.1 ± 4.1 MPa with 10 wt% baghdadite substitution. Culture medium conditioned with powdered brushite cement approached closer to physiological pH values when the cement is incorporated with increasing amounts of baghdadite (pH = 6.47 for pure brushite, pH = 7.02 for brushite with 20 wt% baghdadite substitution). Baghdadite substitution also influenced the ionic content in the culture medium, and subsequently affected the proliferative activity of primary human osteoblasts in vitro. This study indicates that baghdadite is a beneficial additive to enhance the radiopacity, mechanical performance and cytocompatibility of brushite cement
Calcium phosphate cement (CPC) is a well-established bone replacement material in dentistry and orthopedics. CPC mimics the physicochemical properties of natural bone and therefore shows excellent in vivo behavior. However, due to their brittleness, the application of CPC implants is limited to non-load bearing areas. Generally, the fiber-reinforcement of ceramic materials enhances fracture resistance, but simultaneously reduces the strength of the composite. Combining strong C-fiber reinforcement with a hydroxyapatite to form a CPC with a chemical modification of the fiber surface allowed us to adjust the fiber–matrix interface and consequently the fracture behavior. Thus, we could demonstrate enhanced mechanical properties of CPC in terms of bending strength and work of fracture to a strain of 5% (WOF5). Hereby, the strength increased by a factor of four from 9.2 ± 1.7 to 38.4 ± 1.7 MPa. Simultaneously, the WOF5 increased from 0.02 ± 0.004 to 2.0 ± 0.6 kJ∙m−2, when utilizing an aqua regia/CaCl2 pretreatment. The cell proliferation and activity of MG63 osteoblast-like cells as biocompatibility markers were not affected by fiber addition nor by fiber treatment. CPC reinforced with chemically activated C-fibers is a promising bone replacement material for load-bearing applications.
Tibiakopfimpressionsfrakturen (AO 41-B2.2 – Schatzker III), welche aufgrund der demographischen Entwicklung in ihrer klinischen Relevanz zunehmen, erfordern zur bestmöglichen Frakturstabilisierung eine Schraubenosteosynthese sowie eine stabile metaphysäre Defektauffüllung mittels Knochenersatzmaterial, da anderenfalls ein sekundärer Repositionsverlust mit konsekutiver Gonarthrose droht. Die hierbei eingesetzten Kalziumphosphatzemente bringen klinische Probleme wie geringe mechanische Stabilität, fehlende Bohrbarkeit, welche eine unvollständige Defektauffüllung bedingt, ungewisse Resorption und unüberprüfte Herstellerangaben mit sich.
Diese Studie hatte daher zum Ziel, einen bohrbaren Kalziumphosphatzement und einen Magnesiumphosphatzement, welche als vielversprechende Alternativen aufgrund der klinischen Schwierigkeiten erscheinen, gegen Graftys® Quickset und ChronOS™ Inject biomechanisch einzuordnen und somit langfristig zu einer verbesserten Frakturversorgung beizutragen.
Der erste Teil der Studie bestand aus einer reinen Materialprüfung, in der mittels Zementquader Druckversuche und mittels Ausrisskörper Zugversuche durchgeführt wurden. Im zweiten Teil wurde ein Frakturmodell für Impressionsfrakturen an Kunstknochen benutzt, um die Zemente hierbei zur Defektauffüllung zu verwenden und alleine sowie in Kombination mit einer Osteosynthese in der Jail-Technik zu testen. Es erfolgte eine zyklische Belastung mit 3000 Zyklen zu je 250 N sowie anschließend eine Maximalkrafttestung (Load-To-Failure) mit Hilfe einer Materialprüfmaschine.
Der Magnesiumphosphatzement zeigte die signifikant höchste Kompressionsfestigkeit von 100,50 MPa ± 15,97 MPa und Ausrisskraft sowie im Verbund mit Knochen das geringste Displacement, höchste Maximalkraft und Steifigkeit. Kalziumphosphat bohrbar wies aufgrund seines pseudoplastischen Verhaltens eine geringe biomechanische Stabilität und ein hohes Displacement auf, konnte aber durch seine Bohrbarkeit gegenüber Graftys® Quickset bei Einsatz mit Schrauben einen Vorteil im Displacement erreichen und somit die Vorzüge eines bohrbaren Knochenzements aufzeigen. ChronOS™ zeigte nach Aushärtung im Wasserbad mit einer Kompressionsfestigkeit von 0,58 MPa ± 0,14 MPa eine niedrige biomechanische Stabilität und wurde daher nicht weiter untersucht. Da die Viskosität eines Zements neben anderen Faktoren für die Interdigitation mit den Spongiosahohlräumen im Knochen verantwortlich ist, lässt sich, sofern diese angemessen ist, Rückschlüsse von der Materialprüfung auf das Verhalten im Knochen ziehen.
Magnesiumphosphatzemente erscheinen aufgrund ihrer hohen biomechanischen Stabilität und vermutlich guten Resorptionsrate als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kalziumphosphatzementen und bedürfen daher einer weiteren Überprüfung im Tierversuch.