Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
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One challenge in biofabrication is to fabricate a matrix that is soft enough to elicit optimal cell behavior while possessing the strength required to withstand the mechanical load that the matrix is subjected to once implanted in the body. Here, melt electrowriting (MEW) is used to direct-write poly(ε-caprolactone) fibers “out-of-plane” by design. These out-of-plane fibers are specifically intended to stabilize an existing structure and subsequently improve the shear modulus of hydrogel–fiber composites. The stabilizing fibers (diameter = 13.3 ± 0.3 µm) are sinusoidally direct-written over an existing MEW wall-like structure (330 µm height). The printed constructs are embedded in different hydrogels (5, 10, and 15 wt% polyacrylamide; 65% poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA)) and a frequency sweep test (0.05–500 rad s−1, 0.01% strain, n = 5) is performed to measure the complex shear modulus. For the rheological measurements, stabilizing fibers are deposited with a radial-architecture prior to embedding to correspond to the direction of the stabilizing fibers with the loading of the rheometer. Stabilizing fibers increase the complex shear modulus irrespective of the percentage of gel or crosslinking density. The capacity of MEW to produce well-defined out-of-plane fibers and the ability to increase the shear properties of fiber-reinforced hydrogel composites are highlighted.
Calcium phosphate biocements based on calcium phosphate chemistry are well-established biomaterials for the repair of non-load bearing bone defects due to the brittle nature and low flexural strength of such cements. This article features reinforcement strategies of biocements based on various intrinsic or extrinsic material modifications to improve their strength and toughness. Altering particle size distribution in conjunction with using liquefiers reduces the amount of cement liquid necessary for cement paste preparation. This in turn decreases cement porosity and increases the mechanical performance, but does not change the brittle nature of the cements. The use of fibers may lead to a reinforcement of the matrix with a toughness increase of up to two orders of magnitude, but restricts at the same time cement injection for minimal invasive application techniques. A novel promising approach is the concept of dual-setting cements, in which a second hydrogel phase is simultaneously formed during setting, leading to more ductile cement-hydrogel composites with largely unaffected application properties.
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).