Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
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Augmenting the vascular supply to generate new tissues, a crucial aspect in regenerative medicine, has been challenging. Recently, our group showed that calcium phosphate can induce the formation of a functional neo-angiosome without the need for microsurgical arterial anastomosis. This was a preclinical proof of concept for biomaterial-induced luminal sprouting of large-diameter vessels. In this study, we investigated if sprouting was a general response to surgical injury or placement of an inorganic construct around the vessel. Cylindrical biocement scaffolds of differing chemistries were placed around the femoral vein. A contrast agent was used to visualize vessel ingrowth into the scaffolds. Cell populations in the scaffold were mapped using immunohistochemistry. Calcium phosphate scaffolds induced 2.7–3 times greater volume of blood vessels than calcium sulphate or magnesium phosphate scaffolds. Macrophage and vSMC populations were identified that changed spatially and temporally within the scaffold during implantation. NLRP3 inflammasome activation peaked at weeks 2 and 4 and then declined; however, IL-1β expression was sustained over the course of the experiment. IL-8, a promoter of angiogenesis, was also detected, and together, these responses suggest a role of sterile inflammation. Unexpectedly, the effect was distinct from an injury response as a result of surgical placement and also was not simply a foreign body reaction as a result of placing a rigid bioceramic next to a vein, since, while the materials tested had similar microstructures, only the calcium phosphates tested elicited an angiogenic response. This finding then reveals a potential path towards a new strategy for creating better pro-regenerative biomaterials.
Bone graft substitutes in orthopedic applications have to fulfill various demanding requirements. Most calcium phosphate (CaP) bone graft substitutes are highly porous to achieve bone regeneration, but typically lack mechanical stability. This study presents a novel approach, in which a scaffold structure with appropriate properties for bone regeneration emerges from the space between specifically shaped granules. The granule types were tetrapods (TEPO) and pyramids (PYRA), which were compared to porous CaP granules (CALC) and morselized bone chips (BC). Bulk materials of the granules were mechanically loaded with a peak pressure of 4 MP; i.e., comparable to the load occurring behind an acetabular cup. Mechanical loading reduced the volume of CALC and BC considerably (89% and 85%, respectively), indicating a collapse of the macroporous structure. Volumes of TEPO and PYRA remained almost constant (94% and 98%, respectively). After loading, the porosity was highest for BC (46%), lowest for CALC (25%) and comparable for TEPO and PYRA (37%). The pore spaces of TEPO and PYRA were highly interconnected in a way that a virtual object with a diameter of 150 µm could access 34% of the TEPO volume and 36% of the PYRA volume. This study shows that a bulk of dense CaP granules in form of tetrapods and pyramids can create a scaffold structure with load capacities suitable for the regeneration of an acetabular bone defect
Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität mineralischer Knochenzemente aus Calciumorthophosphaten (CPC) wurde in einem TTCP/DCPA-System das Zementedukt TTCP mit verschiedenen biokompatiblen Oxiden (SiO2, TiO2, ZrO2) während des Herstellungsprozesses dotiert. Dies führte zur Bildung von Calciummetallaten und einer Herabsetzung der Löslichkeit der TTCP-Komponente des Zements. Gegenüber einem oxidfreien Zement konnte die Druckfestigkeit von 65 MPa auf 80 MPa (SiO2) bzw. 100 MPa (TiO2) gesteigert werden.
In einem zweiten Ansatz zur Verbesserung der Injizierbarkeit wurden die Wechselwirkungen der Partikeloberflächen mit der flüssigen Zementphase betrachtet. Durch biokompatible Additive sollte eine repulsive elektrostatische Wechselwirkung eingestellt werden, um Partikelagglomerate effektiv zu dispergieren und eine verflüssigende Wirkung zu erreichen. Die Injizierbarkeit eines TTCP/DCPA-Zements durch eine Kanüle mit 800 µm Durchmesser konnte durch die Verwendung von 500 mM tri-Natriumzitrat-Lösung aufgrund einer deutlichen Herabsetzung der Viskosität der Zementpaste signifikant gesteigert werden (>95%, P/L 3,3/1, Kraftaufwand 20 N).
Abschließend wurde der Einfluss der Partikelgrößenverteilung auf die Festigkeit und Injizierbarkeit einer auf monomodaler Partikelgrößenverteilung basierten Zementmatrix untersucht. Hierzu wurden einem mechanisch aktivierten a-TCP-System unreaktive, feinkörnige Füllstoffpopulationen (TiO2, CaHPO4, CaCO3) zugesetzt und systematisch deren Effekt in Verbindung mit einer Partikelaufladung durch tri-Natriumzitrat auf die rheologischen und mechanischen Eigenschaften untersucht.
Erst die Kombination einer bimodalen Partikelgrößenverteilung mit tri-Natriumzitrat-Lösung führte zu einer starken Erniedrigung der Viskosität, damit zur nahezu vollständigen Injizierbarkeit der Zemente und einer teilweise signifikanten Steigerung der mechanischen Festigkeiten (z.B. 72 MPa reiner a-TCP-Zement auf 142 MPa mit Zusatz von CaHPO4).