Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
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In der vorliegenden Dissertationsarbeit wurden Sphäroide aus mesenchymalen Stammzellen aus dem Fettgewebe oder dem Knochenmark mittels der Micromold-Methode hergestellt. Den Sphäroiden wurden entweder Calciumphosphat- oder Calcium-Magnesium-Phosphat-Partikel hinzugefügt. Zum einen sollte überprüft werden, ob die Zugabe von Partikeln die osteogene Differenzierung der Sphäroide fördert und somit zur weiteren Entwicklung von körpereigenem Knochenersatzmaterial in der regenerativen Medizin beiträgt. Zum anderen sollte festgestellt werden, ob eine der beiden Biokeramiken hinsichtlich der osteogenen Differenzierung überlegen ist.
Was vor einigen Jahren undenkbar erschien, könnte zukünftig möglich sein: Krankes Gewebe mit Gesundem ersetzen, das in vitro mit modernsten Biofabrikationstechniken hergestellt wird. Dabei werden bisherige Grenzen überschritten: Während lichtbasierte Biodruckverfahren wie die Zwei-Photonen-Polymerisation Auflösungen bis in den Nanometerbereich erzielen, ermöglicht der Volumetrische Biodruck (VB) den Druck zentimetergroßer Konstrukte in wenigen Sekunden. Diese Geschwindigkeiten erweisen sich unter Biodruckverfahren als konkurrenzlos und werden erreicht, da das Bioharz nicht konsekutiv, sondern zugleich vernetzt wird. Einschränkend gilt bislang nur der Mangel an geeigneten Bioharzen für den VB. Daher beschäftigt sich vorliegende Arbeit mit der Charakterisierung und Modifikation eines dafür geeigneten Bioharzes: Gelatine-Methacrylat (GelMA). Dank seiner Zusammensetzung ähnelt das etablierte Hydrogelsystem der Extratrazellularmatrix: Der Gelatine-Anteil ermöglicht Biokompatibilität und Bioaktivität durch zelladhäsive sowie degradierbare Aminosäure-Sequenzen. Zugleich können durch photovernetzbare Methacryloyl-Substituenten Konstrukte mit einer Formstabilität bei 37 °C erzeugt werden.
Zunächst wurde das Bioharz zellbiologisch charakterisiert, indem mit der embryonalen Mausfibroblasten-Zelllinie NIH-3T3 beladene GelMA-Zylinder gegossen, photopolymerisiert und kultiviert wurden. Im Verlauf einer Woche wurde die Zytokompatibilität der Gele anhand der Proliferationsfähigkeit (PicoGreen-Assay), des Metabolismus (CCK-8-Assay) und der Vitalität (Live/Dead-Assay) der Zellen beurteilt. Dabei wurden Polymerkonzentrationen von 6 – 8 % sowie GelMA-Harze zweier verschiedener Molekulargewichte verglichen. Alle hergestellten Gele erwiesen sich als zytokompatibel, 6 % ige Gele ließen im Inneren jedoch zusätzlich eine beginnende Zellspreizung zu und ein niedriges GelMA-Molekulargewicht verstärkte die gemessene Proliferation. Die sich anschließende mechanische und physikalische Charakterisierung belegte, dass höher konzentrierte Gele einen größeren E-Modul aufwiesen und damit steifer waren. Eine Modifikation der Gele mit Fibronektin beeinflusste die Zellverträglichkeit weder positiv noch negativ und die Zugabe von Kollagen war wegen Entmischungseffekten nicht bewertbar. Es liegt die Vermutung nah, dass eine weitere Reduktion der Polymerkonzentration und damit Verringerung der Gelsteifigkeit der Schlüssel für mehr Zellspreizung und -wachstum ist. Da jedoch die Druckbarkeit des Bioharzes die weitere Senkung des GelMA-Gehalts limitiert, sollten zunächst Methoden entwickelt werden, welche die Netzwerkdichte des GelMAs anderweitig herabsetzen.
Das Ziel der experimentellen Studie war die Erprobung der (bereits in vitro erfolgreich getesteten) Ca(OH)2-Beschichtung In vivo unter dem Aspekt, ob und inwieweit die antibakteriellen und somit auch antiinflammatorischen bzw. entzündungsmoderierenden Eigenschaften der Ca(OH)2-Beschichtung eine sinnvolle und effektive Ergänzung zu den bisher erfolgreich eingesetzten Calciumphosphat(CaP)-Beschichtungen mit bewiesenen, guten proosseointegrativen Eigenschaften bei lasttragenden Implantaten sein können.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Ergebnisse der In vitro Untersuchung durch die In vivo Versuche in den Bereichen 0-100 KBE grundsätzlich als gestützt gelten können. Die Zuverlässigkeit der Wirkung durch Ca(OH)2 nimmt jedoch mit steigender KBE-Zahl ab, sodass weitere Testreihen sinnvoll sind.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte herausgefunden werden, inwiefern Calciumorthophosphatzemente (CPC) dafür geeignet sind, um als Prüfkörper zur Qualifizierung von Knochenklebern zu dienen, und worin ihre Limitationen bestehen. Dazu sollte nicht nur ein materieller Vergleich verschiedener hydroxylapatitbildender Zemente mit Knochen erfolgen. Es sollte auch das Adhäsionsverhalten neuartiger Knochenkleber auf den verschiedenen Prüfkörpermaterialien verglichen werden, um mögliche Rückschlüsse für die Eignung als standardisierbares in-vitro Prüfkörpermaterial ziehen zu können.
Gegenstand der Untersuchung war ein α-Tricalciumphosphat (α-TCP)-System und ein Tetracalciumphosphat (TTCP)-System welche im Rahmen einer Zement-Abbindereaktion calciumdefizitären Hydroxylapatit (CDHA) bzw. stöchiometrischen Hydroxylapatit (HA) bilden. Die Materialien wurden dazu verwendet Prüfkörperteile in Form von Zylindern (5 x 5 mm) und Plättchen (20 x 10 x 5 mm) herzustellen, die dann mit verschiedenen Knochenklebern verklebt werden konnten. Der stärkste der verwendeten Kleber war ein Cyanoacrylat-Kleber (Truglue®). Er erzielte auf Prüfkörpern aus Knochen nach 24-stündiger Lagerung in PBS mittlere Abscherfestigkeiten von ca. 4,22 ± 1,92 MPa. Als zweitstärkster Kleber erwies sich ein neuartiger zementbasierter Kleber, der aus wärmebehandeltem Trimagnesiumphosphat-Hydrat und Phosphoserin bestand. Dieser Kleber erzielte unter den gleichen Umständen mittlere Abscherfestigkeiten von ca. 1,89 ± 0,29 MPa. Etwas schwächer schnitt ein ebenfalls neuartiger zementbasierter Kleber ab, der aus dem Magnesiumphosphat Farringtonit, sowie aus Magnesiumoxid und 25 % Phytinsäure bestand. Dieser Kleber erzielte mittlere Abscherfestigkeiten von ca. 0,51 ± 0,16 MPa. Insgesamt haben die Untersuchungen gezeigt, dass die in-vitro Qualifizierung von Knochenklebern unter Verwendung von Prüfkörpern aus Zement möglich wäre. Die Prüfkörper aus CDHA vereinten die meisten Vorteile und wären für Klebesysteme mit Abscherfestigkeiten von bis zu 2 MPa geeignet. Dabei erzeugten die Knochenkleber auf CDHA zwar abweichende Abscherfestigkeiten als auf Knochen, doch ließ sich ein vergleichbarer Trend bei stets reduzierten Varianzen erkennen. Durch die gute Konsistenz der Zementpaste war die Herstellung homogener Prüfkörper möglich. Aufgrund der Stabilität von CDHA unter wässrigen Bedingungen konnten Langzeitversuche ohne Einschränkungen vorgenommen werden. Die Limitationen der Prüfkörper aus CDHA bestanden allerdings darin, dass sie nicht für Abscherversuche von stärkeren Klebern geeignet waren. In solchen Fällen versagten die Prüfkörper noch bevor die maximale Abscherfestigkeit des jeweiligen Klebers gemessen werden konnte.
Heutige chirurgische Situationen können zeitweise den Einsatz eines Knochenkleber erfordern, welcher sich jedoch noch nicht in der klinischen Praxis etablieren konnte. In jüngster Vergangenheit haben mit Phosphoserin modifizierte Zemente (PMC) auf der Grundlage von Verbindungen zwischen o-Phosphoserin (OPLS) und Calciumphosphaten wie Tetracalciumphosphat (TTCP) oder α-Tricalciumphosphat (α-TCP) an Popularität gewonnen. Ebenso bekommen chelatbildende Magnesiumphosphatzemente als mineralische Knochenadhäsive mehr Zuspruch. In dieser Arbeit wurden neue mineralorganische Knochenzemente auf der Basis von Phosphoserin und Magnesiumphosphaten oder -oxiden untersucht, die hervorragende Hafteigenschaften besitzen. Diese wurden mittels Röntgenbeugung, Fourier-Infrarot-Spektroskopie und Elektronenmikroskopie analysiert und mechanischen Tests unterzogen, um die Haftfestigkeit am Knochen nach Alterung unter physiologischen Bedingungen zu bestimmen. Die neuartigen biomineralischen Klebstoffe zeigen eine ausgezeichnete Haftfestigkeit an Knochen mit etwa 6,6-7,3 MPa unter Scherbelastung. Die Adhäsive sind auch aufgrund ihres kohäsiven Versagensmusters und ihres duktilen Charakters vielversprechend. In diesem Zusammenhang sind die neuen adhäsiven Zemente den derzeit vorherrschenden Knochenadhäsiven überlegen. Ergänzend wurde versucht, dieses neue System mit unterschiedlichen Additiven zu modifizieren. Dabei wurde Mannit erfolgreich als Porogen verwendet. Dreiarmiges sternförmiges NCO-sP(EO-stat-PO) sollte die adhäsiven Eigenschaften und das Leistungspotenzial unter Wasser verbessern. Zuletzt wurden mit Glycerol präfabrizierte Pasten hergestellt, welche gelagert werden können und bei Kontakt mit Wasser aushärten. Generell ist zu betonen, dass künftige Bemühungen um Knochenklebstoffe aus Phosphoserin und Mg2+ sehr lohnenswert erscheinen.
Zelluläre Resorption 3D-gedruckter Knochenimplantate auf Basis von Calciummagnesiumphosphaten
(2023)
Für die Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe gibt es heute eine Reihe von Therapiemöglichkeiten. Neuartige Ansätze mit Magnesiumphosphat- (MPC) und Calciummagnesiumphosphatzementen (CMPC) haben sich als echte Alternativen zu den etablierten Calciumphosphaten erwiesen.
Ziel war es, die Osteoklastogenese in vitro auf 3D-pulvergedrucktem CMPC und MPC zu induzieren und die zelluläre Resorption (zR) zu analysieren. Polystyrol (PS), Glas, β-TCP und Brushit-bildender Zement dienten als Referenzen.
Als Proben wurden Zemente der allgemeinen stöchiometrischen Summenformel CaxMg(3–x)(PO4)2 (x = 0; 0,25; 0,75; 3) verwendet, die Struvit oder Newberyit enthielten. Für die Osteoklastogenese wurden monozytenangereicherte PBMCs aus Buffy-Coat mittels dreifacher Dichtegradientenzentrifugation isoliert, auf die Prüfoberflächen ausgesät und über einen Zeitraum von 22 Tagen mit Zytokinen (M-CSF und RANKL) stimuliert. Die Interaktion der Zellen mit den Zementen bzw. PS/Glas wurde mittels TRAP-Färbung und -Aktivität, DNA- und Ionenkonzentrationen (Ca2+, Mg2+, PO43–, pH-Wert), Rasterelektronen-, Durchlicht-, Auflicht- und Fluoreszenzmikroskopie analysiert.
Auf den Struvit- und Newberyit-bildenden Zementen konnten keine für Osteoklasten typischen Riesenzellen nachgewiesen werden. Auf den Struvit-bildenden Zementen wurde deutlich mehr mononukleäre Zellen nachgewiesen wurden als auf den Newberyit-bildenden Zementen. Während die Freisetzung von Mg2+ und PO43– ausschließlich durch die chemische Degradation erfolgte, wurde Ca2+ zunächst adsorbiert und anschließend durch zR freigesetzt. Die erhöhte Ca2+-Adsorption im Vergleich zur Ca2+-Resorption führte insgesamt zu einer Calcium-Präzipitation.
Da lediglich auf β-TCP Resorptionslakunen beobachtet wurden, wird angenommen, dass auf den CMPC, MPC und Brushite-bildenden Zementen die zellvermittelte Ca2+-Freisetzung von den Präzipitaten ausging, die von Makrophagen auf den Zementen und/oder Riesenzellen auf den Wellplatten resorbiert wurden.
In kürzlich erschienenen Studien hat sich die Zementformulierung Baghdadit (Ca3ZrSi2O9) durch Eigenschaften wie eine hydraulische Aktivität, Röntgenopazität und bioaktive Wirkung als potenzielles Material für die endodontische Anwendung qualifiziert. Ziel dieser Studie war es, Baghdadit als einphasigen Biozement und in Form verschiedener Materialzusammensetzungen auf vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf die Anwendung als endodontischen Funktionswerkstoff zu untersuchen. Nach eigenständiger Herstellung des mechanisch aktivierten Zementpulvers Ca3ZrSi2O9, erfolgte die Charakterisierung der verschiedenen Zementformulierungen maBag, Bag100Bru und Bag50Bru hinsichtlich der Injizierbarkeit, des pH-Verlaufs während der Abbindung, der Druckfestigkeit und Phasenzusammensetzung mittels XRD. Daneben wurde Baghdadit zu je drei verschiedenen Gewichtsanteilen als Füllstoff in eine Methacrylat-basierte Matrix integriert und hinsichtlich der Fließfähigkeit entsprechend der Norm DIN EN ISO 6876:2012, des qualitativen Polymerisationsgrads und der Druckfestigkeit geprüft. Mit einer Auswahl der oben genannten Materialien erfolgte die Untersuchung der antibakteriellen Wirksamkeit, der Röntgensichtbarkeit orientierend an der Norm DIN EN ISO 13116:2014 und der Dichtigkeit im Wurzelkanal.
Der steigende Bedarf an Knochenersatzmaterialien (KEM) in Medizin und Zahnmedizin verdeutlicht die Notwendigkeit der Etablierung weiterer alloplastischer, also synthetisch hergestellter, KEMs. Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung patientenspezifischer Implantate. Hierfür wird auf Basis von 3D Bildgebung eines Knochendefekts, ein Implantat mittels CAD geplant und anschließend mittels additiver Fertigung, zum Beispiel durch 3D Pulverdruck hergestellt.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des osteogenen Potentials in vitro von Calciummagnesiumphosphatkeramiken mit der allgemeinen Strukturformel CaxMg(3-x)(PO4)2 mit x = 0; 0,25; 0,75; 1,5; 3 aus additiver Fertigung. Hierfür wurden Prüfkörper mittels 3D Pulverdruck gedruckt, anschließend durch Hochtemperatursinterung verfestigt und durch Behandlung mit reaktiven Lösungen nachgehärtet. Abhängig von der reaktiven Lösung wandelte sich die Keramik teilweise in Struvit, Bruschit und Newberyit um. Die biologische Testung in vitro erfolgte mit hFOB 1.19 Zellen und ergab eine gute Biokompatibilität sowie die Ausdifferenzierung osteogener Progenitorzellen für fast alle Keramikphasen, wobei die newberyithaltigen Keramiken tendenziell bessere Ergebnisse erzielten.
Knorpeldefekte gelten in der Medizin als besonders schwierig zu beheben, da das avaskuläre und aneurale hyaline Knorpelgewebe nur über sehr begrenzte Selbstheilungskräfte verfügt. Die Entwicklung neuer klinischer Therapien für eine erfolgreiche Regeneration bis hin zum vollständigen Ersatz von beschädigtem oder erkranktem Knorpel stellt daher das Ziel umfangreicher Forschung dar. Darüber hinaus zeichnet sich Knorpel durch eine organisierte, zonale Zell-Matrix-Verteilung und -Dichte aus, die möglichst naturgetreu nachgebildet werden muss, um einen adäquaten Gelenkknorpelersatz zu schaffen. Das dreidimensionale Bioprinting von humanen mesenchymalen Stromazellen (hMSCs) in Hydrogelen ist hierbei ein vielversprechender Ansatz. Es sind jedoch umfangreiche Studien erforderlich, um herauszufinden, wie 3D-Stammzellkonstrukte mit unterschiedlichen Zelldichten und Zell-Zell-Wechselwirkungen in einer gedruckten Hydrogel Matrix interagieren. Deshalb wurde in dieser Arbeit untersucht, ob die mesenchymalen Stromazellen in Form von Einzelzellen oder Sphäroiden durch das Extrusionsdruckverfahren in ihrer Proliferationsfähigkeit und ihrem chondrogenen Differenzierungspotential beeinträchtigt werden.
Hierfür wurden in dieser Arbeit sowohl das Zellüberleben als auch Proliferations- und Differenzierungsmarker in gedruckten und nicht gedruckten Proben mit Einzelzellkonzentrationen von 2-20 Millionen Zellen sowie bei Sphäroiden mit ca 4000 Zellen/Sphäroid untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das extrusionsbasierte Druckverfahren keine negativen Auswirkungen auf die Überlebensfähigkeit und die Proliferation der hMSCs hat. Zum Nachweis der chondrogenen Differenzierung wurden mehrere Experimente durchgeführt. Durch die Expression von Typ-II-Kollagen und Aggrecan sowie durch die Quantifizierung von GAG welches zu einem großen Teil in der ECM von Knorpelgewebe zu finden ist, konnte bestätigt werden, dass die mesenchymalen Stromazellen durch den Druckprozess ihr chondrogenes Differenzierungspotential nicht einbüßen. Die beim 3D-Bioprinting auftretenden Scherkräfte scheinen die in-vitro Chondrogenese sogar ohne chemische Stimulation durch TGF-β1 anzustoßen. Außerdem zeigten die Sphäroidgruppen ein höheres chondrogenes Differenzierungspotential als die Einzelzellgruppen.
Um dies im Zusammenhang mit dem 3D Extrusionsdruckverfahren zu bestätigen, erscheint es sinnvoll, weitere Versuche mit noch höheren Zellkonzentrationen in Form von Sphäroiden durchzuführen. Zusammenfassend zeigte sich in dieser Arbeit, dass das extrusionsbasierte Druckverfahren in Alginat/Gelatine Hydrogelen keine Zellschädigung verursacht und weder die chondrogene Differenzierung von Einzelzellen noch von Sphäroiden beeinträchtigt.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Gefrierstrukturierung von Biopolymer-Keramik-Kompositen zur Nachahmung von osteochondralem Gewebe zu untersuchen. Dies diente der Forschung an alternativen Therapiemethoden zur Regeneration von osteochondralen Defekten, da durch derzeitige Therapien oftmals nur ein minderwertiger Reparaturknorpel gebildet wird und keine langfristigen Erfolge erzielt werden. Die Herstellung der Proben zur Nachahmung von osteochondralem Gewebe erfolgte mit der Technik der Gefrierstrukturierung, wodurch anisotrope und hoch geordnete Systeme erhalten wurden. Im Rahmen einer systematischen Untersuchung wurden mehrere Parameter, wie beispielsweise der externe Temperaturgradient, variiert und deren Auswirkungen auf die Proben untersucht. Im ersten Versuchsteil wurde die bidirektionale Gefrierstrukturierung untersucht, um die Morphologie der hergestellten Proben zu optimieren. Anschließend wurden zweischichtige Alginat- bzw. Kollagen-Bruschit-Systeme zur Nachahmung von osteochondralem Gewebe hergestellt. Die erste Schicht sollte Knochen imitieren, während die zweite Schicht Knorpel nachahmte. Die Morphologie der hergestellten Proben wurde unter dem Stereo- und Rasterelektronenmikroskop untersucht. Zur Untersuchung des mechanischen Verbundes zwischen den Schichten wurden Zugversuche durchgeführt. Alle hergestellten Systeme waren hoch geordnet und anisotrop. Die zweischichtigen Systeme wiesen einen Verbund beider Schichten auf und durch die Variation verschiedenster Parameter konnte ein näheres Verständnis des Einflusses dieser auf die Probenmorphologie erlangt werden.