Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
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In this study, we evaluate hydrogels based on oxidized hyaluronic acid, cross-linked with adipic acid dihydrazide, for their suitability as bioinks for 3D bioprinting. Aldehyde containing hyaluronic acid (AHA) is synthesized and cross-linked via Schiff Base chemistry with bifunctional adipic acid dihydrazide (ADH) to form a mechanically stable hydrogel with good printability. Mechanical and rheological properties of the printed and casted hydrogels are tunable depending on the concentrations of AHA and ADH cross-linkers.
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.
The aim of this thesis was the development of a multifunctional coating system for AuNPs based on thioether polymers, providing both excellent colloidal stability and a variable possibility to introduce functionalities for biological applications.
First, two thioether-polymer systems were synthesised as a systematic investigation into colloidal stabilisation efficacy. Besides commonly used monovalent poly(ethylene glycol) (PEG-SR), its structural analogue linear poly(glycidol) (PG-SR) bearing multiple statistically distributed thioether moieties along the backbone was synthesised. Additionally, respective thiol analogues (PEG-SH and PG-SH) were produced and applied as reference.
Successive modification of varyingly large AuNPs with aforementioned thiol- and thioether-polymers was performed via ligand exchange reaction on citrate stabilised AuNPs. An increased stabilisation efficacy of both thioether-polymers against biological and physiological conditions, as well as against freeze-drying compared to thiol analogues was determined.
Based on the excellent colloidal stabilisation efficacy and multi-functionalisability of thioether-PG, a plethora of functional groups, such as charged groups, hydrophilic/hydrophobic chains, as well as bio-active moieties namely diazirine and biotin was introduced to the AuNP surface. Moreover, the generic and covalent binding of diazirine-modified PG-SR with biomolecules including peptides and proteins was thoroughly demonstrated.
Lastly, diverse applicability and bioactivity of aforementioned modified particles in various studies was displayed, once more verifying the introduction of functionalities. On the one hand the electrostatic interaction of charged AuNPs with hydrogels based on hyaluronic acid was applied to tune the release kinetics of particles from three-dimensional scaffolds. On the other hand the strong complexation of siRNA onto two positively charged AuNPs was proven. The amount of siRNA payload was tuneable by varying the surface charge, ionic strength of the surrounding medium and the N/P ratio. Moreover, the biological activity and selectivity of the biotin-streptavidin conjugation was verified with respectively functionalised particles in controlled agglomeration test and in laser-triggered cell elimination experiments. In the latter, streptavidin-functionalised AuNPs resulted in excellent depletion of biotinylated cells whereas unfunctionalised control particles failed, excluding unspecific binding of these particles to the cell surface.
Biomimetic calcium phosphate (CaP) coatings imitate the trabecular bones surface structure and have shown to promote osteogenic differentiation in multipotent cells. The work of this thesis focused on the problem of former CaP coatings cracking and flaking off when being put on a bendable core structure like a 3D-printed poly (ε-caprolactone) (PCL) scaffold. The aim was to provide a chemical linkage between PCL and CaP using a star-shaped polymer (sPEG) and a phosphonate, 2-aminoethylphosphonic acid (2-AEP). First, a published CaP coating protocol was revised and investigated in terms of etching parameters for the PCL scaffold. Results presented reproducible thick coatings for all groups. The protocol was then broadened to include subsequent scaffold incubation in sPEG and 2-AEP solutions. Homogenous CaP coatings of decreased thickness presented themselves, proving feasibility. However, as is often found with physical CaP coating depositions, there were some irregular outcomes even during the same experimental group. A lower consumption of the chemical 2-AEP, for economic reasons, meant that the protocol was altered to simultaneously incubate scaffolds with sPEG and 2-AEP including preceding calculations for molar ratios. For ratios 1:1, 1:2 and 1:3, again a homogenous CaP coating was produced on most of the samples, although reproducibility issues maintained. However, the mechanical bending to induce surface cracking showed that the CaP did strongly bond to the sPEG/2-AEP, while the control CaP coating flaked off the surface in large pieces. This research demonstrates that chemically-bound CaP coatings resist flaking off the fiber surface. Future investigations should focus on the mechanisms of CaP crystallization, to improve reproducibility.
The main focus of this thesis was the processing of different calcium and magnesium phosphate cements together with an optimization of mechanical and biological properties. Therefore, different manufacturing techniques like 3D powder printing and centrifugally casting were employed for the fabrication of reinforced or biomedically improved implants.
One of the main problems during 3D powder printing is the low green strength of many materials, especially when they are only physically bonded and do not undergo a setting reaction. Such materials need post-treatments like sintering to exhibit their full mechanical performance. However, the green bodies have to be removed from the printer requiring a certain stability. With the help of fiber reinforcement, the green strength of printed gypsum samples could be increased by the addition of polymeric and glass fibers within the printing process. The results showed that fiber reinforcement during 3D powder printing is possible and opens up diverse opportunities to enhance the damage tolerance of green bodies as well as directly printed samples. The transfer to biomedically relevant materials like calcium and magnesium phosphate cements and biocompatible fibers would be the next step towards reinforced patient-specific implants.
In a second approach, centrifugally casting derived from construction industries was established for the fabrication of hollow bioceramic cylinders. The aim was the replacement of the diaphysis of long bones, which exhibit a tubular structure with a high density of cortical bone on the fringe. By centrifugation, cement slurries with and without additives could be fabricated to tubes. As a first establishment, the processing parameters regarding the material (e.g. cement composition) as well as the set-up (e.g. rotation times) had to be optimized for each system. In respect of mechanics, such tubes can keep up with 3D powder printed tubes, although the mechanical performance of 3D printed tubes is strongly dependent on printing directions. Additionally, some material compositions like dual setting systems cannot be fabricated by 3D powder printing. Therefore, a transfer of such techniques to centrifugally casting enabled the fabrication of tubular structures with an extremely high damage tolerance due to high deformation ability. A similar effect was achieved by fiber (mesh) addition, as already shown for 3D powder printing. Another possibility of centrifugally casting is the combination of different materials resulting in graded structures to adjust implant degradation or bone formation. This became especially apparent for the incorporation of the antibiotic vancomycin, which is used for the treatment of bacterial implant infections. A long-term release could be achieved by the entrapment of the drug between magnesium phosphate cement layers. Therefore, the release of the drug could be regulated by the degradation of the outer shell, which supports the release into an acidic bacterial environment. The centrifugally casting technique exhibited to be a versatile tool for numerous materials and applications including the fabrication of non-centrosymmetric patient-specific implants for the reconstruction of human long bones.
The third project aimed to manufacture strontium-substituted magnesium phosphate implants with improved biological behavior by 3D powder printing. As the promoting effect of strontium on bone formation and the inhibitory impact on bone resorption is already well investigated, the incorporation of strontium into a degradable magnesium phosphate cement promised a fast integration and replacement of the implant. Porous structures were obtained with a high pore interconnectivity that is favorable for cell invasion and bone ingrowth. Despite the porosity, the mechanical performance was comparable to pure magnesium phosphate cement with a high reliability of the printed samples as quantitatively determined by Weibull statistics. However, the biological testing was impeded by the high degradation rate and the relating ion release. The high release of phosphate ions into surrounding media and the detachment of cement particles from the surface inhibited osteoblast growth and activity. To distinguish those two effects, a direct and indirect cell seeding is always required for degradable materials. Furthermore, the high phosphate release compared to the strontium release has to be managed during degradation such that the adverse effect of phosphate ions does not overwhelm the bone promoting effect of the strontium ions.
The manufacturing techniques presented in this thesis together with the material property improvement offer a diverse tool box for the fabrication of patient-specific implants. This includes not just the individual implant shape but also the application like bone growth promotion, damage tolerance and local drug delivery. Therefore, this can act as the basis for further research on specific medical indications.
Knochenklebstoffe, welche eine unkonventionelle Möglichkeit im Bereich der chirurgischen Frakturversorgung darstellen, müssen bereits in vitro eine Reihe an klinischen Anforderungen erfüllen. Hinsichtlich entsprechender Prüfverfahren wurde noch keine Normierungsarbeit geleistet, weswegen Ergebnisse verschiedener Arbeiten schwierig vergleichbar sind.
Ziel der Arbeit war es daher Prüfverfahren vorzustellen, welche die Besonderheiten des „Werkstoffes Knochen“ berücksichtigen. In diesem Rahmen werden zwei neuartigen Klebstoffsysteme, ein in situ härtender Knochenzement aus Trimagnesiumphosphat, Magnesiumoxid und organischer Phytinsäure und ein lichthärtender Knochenklebstoff aus Polyethylenglycoldimethacrylat, NCO-sP(EO-stat-PO), Campherchinon und anorganischen Newberyit-Füllern, vorgestellt. Neben diesen sind drei kommerziell erhältliche Klebstoffe Gegenstand der Untersuchung. Dies sind zum einen Histoacryl® und TruGlue® Gewebekleber, zwei Klebstoffe auf Cyanoacrylat-Basis mit unterschiedlich langer Alkyl-Seitenkette, zum anderen Bioglue®, ein Gewebekleber aus Albumin und Glutaraldehyd.
Bei den Klebstoffen wurde die Zug- und Scherfestigkeit unter Einfluss der physiologischen Klebstoffalterung, der Variation der Klebefugenbreite, der Variation von komplementären Fügeteilen, sowie Fügeteiloberflächen inspiziert. Makro- und mikroskopische, sowie elektronenmikroskopischen Untersuchung der Bruchflächen auf mikrostrukturelle Besonderheiten und Versagemechanismus wurden angestellt.
Die neuartigen Klebstoffsysteme unterliegen zwar den konventionellen Cyanoacrylaten hinsichtlich mechanischer Parameter, weisen aber dennoch adäquate Klebefestigkeiten auf bei zugleich zahlreichen Vorteilen gegenüber konventionellen Systemen im Umgang mit Knochen.
Gerade der Magnesiumphosphatzement scheint auf Grund mechanischer Parameter und Vorzügen wie der guten Biokompatibilität und biologischen Abbaubarkeit, Osteoinduktivität, Osteokonduktivität, der einfachen Applizierbarkeit, einem hohen Kosten-Nutzen-Faktor oder dem günstigen Verhalten in wässrigen Milieu vielversprechend.
Ziel dieser Arbeit war die Herstellung fluoreszent markierter Präpolymere sowie deren Optimierung, die kontrollierte und reproduzierbare Synthese von redox-sensitiven und nicht redox-sensitiven NG mit und ohne Fluoreszenzmarkierung in einem durchschnittlichen Partikelgrößenbereich von 150 – 300 nm und mit einer Konzentration > 10*10 Partikel/ml, die Charakterisierung der NG, ihre Untersuchung bezüglich ihrer Stabilität und des Assoziationsverhaltens zu BSA sowie die Erlangung von Erkenntnissen bezüglich des Aufnahmemechanismus der NG in Abhängigkeit vom Transportpeptid Tat.
Abschließend kann zusammenfassend gesagt werden:
1. Das große Potential von PG-basierten NG für biologische bzw. medizinische Einsatzgebiete konnte weiter untermauert werden.
2. Das mit Cy5-Alkin markierte PG PG-SH-Cy5 erscheint aufgrund des relativ hohen erreichten Markierungsgrades bei der Herstellung als aussichtsreichster Kandidat für weitere Untersuchungen. Diese Umsetzung besitzt noch Optimierungspotentiale bezüglich einer Verringerung des Polymerverlusts bei der Aufarbeitung, des erreichbaren Markierungsgrades und der Markierungsausbeute. Möglichkeiten, dies zu erreichen, wurden diskutiert.
3. Klare Aussagen über den Einfluss des esterhaltigen bzw. esterfreien Ausgangspolymers PG-SH auf die Konzentration und die Partikelgröße konnten aufgrund einer nicht ausreichenden Datenlage nicht getroffen werden.
4. Die esterhaltigen PG-SH-Moleküle erscheinen aufgrund ihrer Labilität gegenüber Hydrolyse für die NP-Synthese weniger geeignet (geringere Stabilität).
5. Die Charakterisierung der aus den markierten und unmarkierten Ausgangspolymeren hergestellten NG, welche teilweise zusätzlich mit dem Transportpeptid Tat funktionalisiert wurden, erfolgte mittels NTA und zeigt für die meisten Spezies relativ schmale, gut definierte, monomodale Größenverteilungen mit einem Maximum um 100-200 nm im Bereich von ca. 40 – max. 400 nm mit Partikelkonzentrationen im Bereich von 1010 - 1011 Partikeln/ml.
6. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass der untersuchte, von PG-SH abgeleitete NP-Typ (z. B. NG_3, redox-sensitiv unmarkiert) aufgrund seiner Einheitlichkeit, Partikelgröße und der Reproduzierbarkeit der Herstellung als gut geeignet für den geplanten Einsatz in biologischen Systemen erscheint. Von den weiter derivatisierten NG erscheinen die folgenden aufgrund der oben geschilderten Kriterien als besonders geeignet für den geplanten Einsatz in biologischen Systemen und weiterer Untersuchungen wert: NG680_(TAT)_1-4 (redox-sensitiv, markiert), NGCy5_(TAT)_1 (redox-sensitiv, markiert), NG_MA_2 (nicht redox-sensitiv, unmarkiert), NGCy7_MA_1 (nicht redox-sensitiv, markiert). Aufgrund des relativ hohen erreichbaren Markierungsgrades bei der Markierung der Ausgangspolymere erscheinen die mit Cy5-markierten Verbindungen als besonders vorteilhaft.
7. Die esterfreien, redox-sensitiven NP erwiesen sich bei 14-tägiger Lagerung unter physiologischen Bedingungen als stabil. Ihre Konzentration nahm über 14 Tage um ca. 60 % vom Ausgangswert ab. Gleichzeitig nahm der Teilchendurchmesser während des Beobachtungszeitraums um ca. 25 % zu. Die Abnahme der Teilchenzahl ist - zumindest teilweise - durch eine Vergrößerung des mittleren Teilchendurchmessers und mögliche Adsorptionseffekte an die Gefäßwände des Versuchsaufbaus zu erklären.
8. Die Konzentration der esterfreien, nicht redox-sensitiven NP verringert sich bei 14-tägiger Inkubation unter physiologischen Bedingungen deutlich auf ca. 10 % des Ausgangswerts. Der mittlere Durchmesser der Partikel bleibt innerhalb des Untersuchungszeitraums innerhalb der Fehlergrenzen konstant. Die starke Abnahme der Partikelkonzentration ist wahrscheinlich auf die Hydrolyse des verwendeten esterhaltigen Crosslinkers PEGDA zurückzuführen. Desweiteren sind Adsorptionsphänomene an Oberflächen des Versuchsaufbaus nicht auszuschließen. Insgesamt hervorzuheben ist die wesentlich höhere Stabiliät der redox-sensitiven NP unter den Versuchsbedingungen. Diese Substanzklasse sollte daher weiter verfolgt werden.
9. Es wurde gezeigt, dass sowohl die NG, die das Aufnahmeprotein Tat enthalten, als auch die NG ohne Tat mit Fluoreszenz-markiertem BSA (8,3 µg/ml) wechselwirken und zusammen mit diesem bei der Zentrifugation abgeschieden werden. Über die Art der Wechselwirkung kann keine Aussage getroffen werden.
10. Durch in vitro Zellaufnahmeuntersuchungen an Hela-Zellen konnte gezeigt werden, dass die mit Tat funktionalisierten, redox-sensitiven, Fluoreszenz-markierten NP von den Zellen aufgenommen werden. Die Aufnahme erfolgt über eine deutlich erkennbare Vesikelbildung, die an der Plasmamembran verstärkt beobachtet werden kann. Im Gegensatz hierzu konnte bei den nicht mit Tat funktionalisierten NP keine vergleichbare in vitro Zellaufnahme beobachtet werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen insgesamt das große Potential der von Thiol-funktionalisierten PG abgeleiteten NG für die medizinische Forschung und zukünftige Anwendungen in der Diagnostik und Therapie. Es wird eine Reihe von Ansatzpunkten aufgezeigt, auf deren Basis weitere vertiefende Untersuchungen zur Charakterisierung und Optimierung sowie zu zukünftigen nutzbringenden Anwendungen vorgenommen werden sollten.
In order to mimic the extracellular matrix for tissue engineering, recent research approaches often involve 3D printing or electrospinning of fibres to scaffolds as cell carrier material. Within this thesis, a micron fibre printing process, called melt electrospinning writing (MEW), combining both additive manufacturing and electrospinning, has been investigated and improved. Thus, a unique device was developed for accurate process control and manufacturing of high quality constructs. Thereby, different studies could be conducted in order to understand the electrohydrodynamic printing behaviour of different medically relevant thermoplastics as well as to characterise the influence of MEW on the resulting scaffold performance.
For reproducible scaffold printing, a commonly occurring processing instability was investigated and defined as pulsing, or in extreme cases as long beading. Here, processing analysis could be performed with the aim to overcome those instabilities and prevent the resulting manufacturing issues. Two different biocompatible polymers were utilised for this study: poly(ε-caprolactone) (PCL) as the only material available for MEW until then and poly(2-ethyl-2-oxazoline) for the first time. A hypothesis including the dependency of pulsing regarding involved mass flows regulated by the feeding pressure and the electrical field strength could be presented. Further, a guide via fibre diameter quantification was established to assess and accomplish high quality printing of scaffolds for subsequent research tasks.
By following a combined approach including small sized spinnerets, small flow rates and high field strengths, PCL fibres with submicron-sized fibre diameters (fØ = 817 ± 165 nm) were deposited to defined scaffolds. The resulting material characteristics could be investigated regarding molecular orientation and morphological aspects. Thereby, an alignment and isotropic crystallinity was observed that can be attributed to the distinct acceleration of the solidifying jet in the electrical field and by the collector uptake. Resulting submicron fibres formed accurate but mechanically sensitive structures requiring further preparation for a suitable use in cell biology. To overcome this handling issue, a coating procedure, by using hydrophilic and cross-linkable star-shaped molecules for preparing fibre adhesive but cell repellent collector surfaces, was used.
Printing PCL fibre patterns below the critical translation speed (CTS) revealed the opportunity to manufacture sinusoidal shaped fibres analogously to those observed using purely viscous fluids falling on a moving belt. No significant influence of the high voltage field during MEW processing could be observed on the buckling phenomenon. A study on the sinusoidal geometry revealed increasing peak-to-peak values and decreasing wavelengths as a function of decreasing collector speeds sc between CTS > sc ≥ 2/3 CTS independent of feeding pressures. Resulting scaffolds printed at 100 %, 90 %, 80 % and 70 % of CTS exhibited significantly different tensile properties, foremost regarding Young’s moduli (E = 42 ± 7 MPa to 173 ± 22 MPa at 1 – 3 % strain). As known from literature, a changed morphology and mechanical environment can impact cell performance substantially leading to a new opportunity of tailoring TE scaffolds.
Further, poly(L-lactide-co-ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) as well as poly(ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) (PCLAC) copolymers could be used for MEW printing. Those exhibit the opportunity for UV-initiated radical cross-linking in a post-processing step leading to significantly increased mechanical characteristics. Here, single fibres of the polymer composed of 90 mol.% CL and 10 mol.% AC showed a considerable maximum tensile strength of σmax = 53 ± 16 MPa. Furthermore, sinusoidal meanders made of PCLAC yielded a specific tensile stress-strain characteristic mimicking the qualitative behaviour of tendons or ligaments. Cell viability by L929 murine fibroblasts and live/dead staining with human mesenchymal stem cells revealed a promising biomaterial behaviour pointing out MEW printed PCLAC scaffolds as promising choice for medical repair of load-bearing soft tissue.
Indeed, one apparent drawback, the small throughput similar to other AM methods, may still prevent MEW’s industrial application yet. However, ongoing research focusses on enlargement of manufacturing speed with the clear perspective of relevant improvement. Thereby, the utilisation of large spinneret sizes may enable printing of high volume rates, while downsizing the resulting fibre diameter via electrical field and mechanical stretching by the collector uptake. Using this approach, limitations of FDM by small nozzle sizes could be overcome. Thinking visionary, such printing devices could be placed in hospitals for patient-specific printing-on-demand therapies one day. Taking the evolved high deposition precision combined with the unique small fibre diameter sizes into account, technical processing of high performance membranes, filters or functional surface finishes also stands to reason.
Untersuchungen zum Abbindeverhalten und der Injizierbarkeit von Magnesiumphosphat-Knochenzementen
(2018)
Ziel dieser Arbeit war die experimentelle Untersuchung von selbsthärtenden Magnesiumphosphat Zementen als Knochenersatzmaterial bezüglich der Verarbeitungsqualität, der Temperaturentwicklung beim Abbinden, der Injizierbarkeit und der mechanischen Eigenschaften. Der Schwerpunkt wurde dabei auf die Anpassung der rheologischen Eigenschaften der Zementpaste für eine minimal–invasive Applikation gelegt. Durch eine elektrische Aufladung der Partikeloberfläche von Farringtonit nach Adsorption von Citrat–Ionen und Zusatz der biokompatiblen Füllstoffe Struvit oder TiO2 für die Einstellung einer bimodalen Partikelgrößenverteilung, war es möglich, die Viskosität der Pasten zu erniedrigen und den filter–pressing−Effekt während der Injektion zu unterdrücken. Die Modifikation des Mg3(PO4)2 Pulvers und der flüssigen Phase erlaubte bei einer Verarbeitungszeit von ca. 10 min die nahezu quantitative Injektion des Zements durch eine 40 mm lange Kanüle mit einem inneren Durchmesser von ca. 800 μm. Zemente mit dem P/L–Verhältnis von 2,0 g/ml erreichten so eine Festigkeit von über 50 MPa nach 24 h Aushärtung. Obwohl die exotherme Abbindereaktion der Zemente teilweise zu einer Erwärmung auf bis zu 67 °C führte, geben literaturbekannte in vivo Studien keinen Hinweis auf Nebenwirkungen innerhalb des umliegenden Hart- bzw. Weichgewebes, was den Verdacht einer möglichen thermischen Nekrose aufgrund der exothermen Abbindereaktion ausschließt. Dies liegt eventuell auch darin begründet, dass die Temperaturmessungen in dieser Arbeit mit einer verhältnismäßig großen Menge an Zementpaste (∼15 g) durchgeführt wurden, während in vivo doch eher geringere Mengen (< 5 g) appliziert werden.