Hydroxylapatite (HA) is a frequently used bioceramic material for replacement of bone matter subjected to low loading conditions, for osseoconductive coatings on implants and for utilisation as a drug carrier. Plasma spraying is widely used to coat hydroxylapatite onto titanium alloys in hip endoprostheses. However, the high temperature of the plasma jet changes the crystallinity and decomposes hydroxylapatite. This affects in turn its bioconductivity. In this study, HA was coated onto Ti6Al4V substrates by atmospheric plasma spraying (APS). Also, a bionert TiO2 bond coat was applied between the HA coating and the titanium alloy. By means of some sensitive analytical techniques, notably nuclear magnetic resonance (NMR) and Raman spectroscopy, the structural decomposition of HA during plasma-spraying and the in vitro reconstruction mechanisms of distorted (oxy)hydroxylapatite to well-ordered hydroxylapatite were investigated. The advantages of such a bond coat were also shown.

Für die Behandlung von Knochendefekten überkritischer Größe stehen seit einigen Jahren zahlreiche resorbierbare Materialien zur Verfügung, die eine Defektheilung bis hin zur vollständigen knöchernen Regeneration erlauben. Im Fall systemischer Knochenerkrankungen, insbesondere im osteoporotischen Knochen, ist jedoch die Selbstheilungskapazität des Gewebes stark eingeschränkt, was neben der Defektbehandlung eine knochenanabole sowie resorptionshemmende Therapie erfordert. Diese kann beispielsweise durch die Gabe von Strontium-haltigen Präparaten erreicht werden, da der duale Wirkmechanismus der Strontium-Ionen zu vermehrter Knochenneubildung bei gleichzeitig verminderter Knochenresorption führt. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Strontium-haltigen Knochenzements, welcher eine Freisetzung von Strontium-Ionen spezifisch im jeweiligen Knochendefekt und somit eine lokale Stimulation der Knochenneubildung ermöglicht. Basierend auf einem etablierten Calciumphosphat-Knochenzement wurden Strontium-haltige Zementvarianten hergestellt und ausgiebig charakterisiert. Im Gegensatz zu den meisten bislang verfolgten Methoden konnten Zemente mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, welche weiterhin Strontium-Ionen in physiologisch relevanten Konzentrationen freisetzen. Durch Zellkulturuntersuchungen an humanen Zellen sowohl der osteoblastären- als auch osteoklastären Linie konnte eine Stimulation der für den Knochenaufbau verantwortlichen Zellen sowie eine Hemmung der den Knochen resorbierenden Zellen durch die entwickelten Zemente nachgewiesen werden.

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Tato diplomová práce se zabývá problematikou plazmového nanášení bioaktivních keramických povlaků hydroxylapatitu s využitím technologie radio-frekvenčně buzeného indukčně vázaného plazmatu. Cílem bylo optimalizovat proces a nanést kompaktní hydroxylapatitové povlaky na substráty z titanové slitiny Ti6Al4V. Nanesené vzorky byly následně podrobeny analýzám povrchové drsnosti, mikrostruktury a fázového složení. Ze získaných výsledků byly vyvozeny závěry, které byly srovnány s dalšími odbornými pracemi zabývajícími se příbuznou problematikou.

Für die Behandlung von Knochendefekten überkritischer Größe stehen seit einigen Jahren zahlreiche resorbierbare Materialien zur Verfügung, die eine Defektheilung bis hin zur vollständigen knöchernen Regeneration erlauben. Im Fall systemischer Knochenerkrankungen, insbesondere im osteoporotischen Knochen, ist jedoch die Selbstheilungskapazität des Gewebes stark eingeschränkt, was neben der Defektbehandlung eine knochenanabole sowie resorptionshemmende Therapie erfordert. Diese kann beispielsweise durch die Gabe von Strontium-haltigen Präparaten erreicht werden, da der duale Wirkmechanismus der Strontium-Ionen zu vermehrter Knochenneubildung bei gleichzeitig verminderter Knochenresorption führt. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Strontium-haltigen Knochenzements, welcher eine Freisetzung von Strontium-Ionen spezifisch im jeweiligen Knochendefekt und somit eine lokale Stimulation der Knochenneubildung ermöglicht. Basierend auf einem etablierten Calciumphosphat-Knochenzement wurden Strontium-haltige Zementvarianten hergestellt und ausgiebig charakterisiert. Im Gegensatz zu den meisten bislang verfolgten Methoden konnten Zemente mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, welche weiterhin Strontium-Ionen in physiologisch relevanten Konzentrationen freisetzen. Durch Zellkulturuntersuchungen an humanen Zellen sowohl der osteoblastären- als auch osteoklastären Linie konnte eine Stimulation der für den Knochenaufbau verantwortlichen Zellen sowie eine Hemmung der den Knochen resorbierenden Zellen durch die entwickelten Zemente nachgewiesen werden.

Scaffolds for bone tissue engineering are essentially characterized by porous three-dimensional structures with interconnected pores to facilitate the exchange of nutrients and removal of waste products from cells, thereby promoting cell proliferation in such engineered scaffolds. Although hydroxyapatite is widely being considered for bone tissue engineering applications due to its occurrence in the natural extracellular matrix of this tissue, limited reports are available on additive manufacturing of hydroxyapatite-based materials. In this perspective, hydroxyapatite-based three-dimensional porous scaffolds with two different binders (maltodextrin and sodium alginate) were fabricated using the extrusion method of three-dimensional plotting and the results were compared in reference to the structural properties of scaffolds processed via chemical stabilization and sintering routes, respectively. With the optimal processing conditions regarding to pH and viscosity of binder-loaded hydroxyapatite pastes, scaffolds with parallelepiped porous architecture having up to 74% porosity were fabricated. Interestingly, sintering of the as-plotted hydroxyapatite–sodium alginate (cross-linked with CaCl₂ solution) scaffolds led to the formation of chlorapatite (Ca₉.₅₄P₅.₉₈O₂₃.₈Cl₁.₆₀(OH)₂.₇₄). Both the sintered scaffolds displayed progressive deformation and delayed fracture under compressive loading, with hydroxyapatite–alginate scaffolds exhibiting a higher compressive strength (9.5±0.5 MPa) than hydroxyapatite–maltodextrin scaffolds (7.0±0.6 MPa). The difference in properties is explained in terms of the phase assemblage and microstructure

With the growing demands for bone implant therapy, titanium (Ti) and its alloys are considered as appropriate choices for the load-bearing bone implant substitutes. However, the interaction of bare Ti-based implants with the tissues is critical to the success of the implants for long-term stability. Thus, surface modifications of Ti implants with biocompatible hydroxyapatite (HAp) coatings before implantation is important and gained interest. Sol-gel is a potential technique for deposition the biocompatible HAp and has many advantages over other methods. Therefore, this review strives to provide widespread overview on the recent development of sol-gel HAp deposition on Ti. This study shows that sol-gel technique was able to produce uniform and homogenous HAp coatings and identified the role of surface pretreatment of Ti substrate, optimizing the sol-gel parameters, substitution, and reinforcement of HAp on improving the coating properties. Critical factors that influence on the characteristics of the deposited sol-gel HAp films as corrosion resistance, adhesion to substrate, bioactivity, morphological, and structural properties are discussed. The review also highlights the critical issues, the most significant challenges, and the areas requiring further research.

Der hierarchisch strukturierte und hoch geordnete Aufbau von Calciumphosphat und Kollagen in Knochen und Zähnen wird von den Zellen mit Hilfe bestimmter Moleküle erreicht. Diese organischen Moleküle, zumeist Proteine, beeinflussen durch die räumliche Anordnung ihrer Ladung das Präzipitations- und Wachstumsverhalten der mineralischen Phase. Die in dieser Arbeit beschriebenen Computersimulationen zeigen, dass ein Calciumphosphatkomplex mit deprotoniertem Phosphat am stabilsten ist. Vermutlich nimmt die Bindungsenergie pro Oberfläche des Komplexes mit wachsender Größe bis zu einem Ca9(PO4)6 -Komplex (Posner Klaster) linear zu. Die Präzipitation von Calciumphosphat aus wässriger Lösung führt häufig zu amorphen Kugeln mit 50-500 nm Durchmesser, die sphärische Unterstrukturen von ca. 5 nm Durchmesser zeigen und bei großer Dichte zu einer amorphen Schicht verschmelzen. Geringe Unterschiede in der Präparation können aber schon zu stäbchenförmigen oder plättchenartigen Kristalliten führen. Phosphoserin ist eine der wichtigsten Aminosäuren bei der Anbindung von Proteinen an Calciumphosphat. Das Computermodell zeigt an der gesamten Oberfläche dieser Aminosäure ein deutliches elektrisches Potential, dies begünstigt die Wechselwirkung mit Ionen. FT-IR- und NMR-Untersuchungen zeigen, dass Phosphoserin bei Kopräzipitation mit Calciumphosphat höchstwahrscheinlich in die mineralische Phase eingebaut wird. Serin zeigt bei der Kopräzipitation ab 1 mM einen Einfluss auf die Morphologie von Calciumphosphat, während Phosphoserin schon bei 0,01 mM einen deutlichen Einfluss zeigt. Elektronenspray-Ionisations-Massenspektroskopie (ESI-MS) bestätigt die relativ zum Serin intensivere Wechselwirkung von Phosphoserin mit Calciumphosphat. Das wichtigste Protein zur Vermeidung ektopischer Mineralisierung ist Fetuin. Dieses Protein stabilisiert die transient auftretenden amorphen Calciumphosphatkugeln (ACP-Kugeln) und erlaubt so dem Körper deren Entsorgung. Fetuin verhindert das Verschmelzen von ACP-Kugeln, wenn diese in großer Dichte auftreten, wobei deren feine Unterstruktur erhalten bleibt. Trotz des starken inhibitorischen Verhaltens wird das Auflösen von Brushit durch die Anwesenheit von Fetuin praktisch nicht beschleunigt. Auch auf die Kinetik der Assemblierung von Kollagen zeigt Fetuin praktisch keinen Einfluss. Des Weiteren wurde das Nukleationsverhalten des häufigsten, nichtkollagenen Knochenproteins, dem Osteocalcin (OC), mittels ESI-MS beobachtet. Die Untersuchungen von Osteocalcin in Calciumphosphatlösung zeigten Komplexe mit bis zu 8 Ca2+, der größte identifizierbare Komplex bestand aus [OC Ca2 (PO4 )2 Na4 ]+. Um die Mineralisierung von Kollagen genauer zu untersuchen, wurden assemblierte Kollagenfibrillen in der Flüssigzelle eines Atomkraftmikroskops (AFM) mit Calciumphosphat nachmineralisiert. Hierbei wurde eine gleichmäßige Anlagerung der offenbar amorphen mineralischen Phase beobachtet. Die Inkubation der Fibrillen mit Phospholipidvesikeln führte zu einem Aufweichen der Fibrillen. Des Weiteren wurden Phospholipidvesikel hergestellt, um den Calciumphosphatniederschlag in einem räumlich stark begrenzten Abschnitt zu untersuchen. Die Vesikel wurden mit REM und AFM abgebildet und so verschiedene Präparationsmethoden verglichen. Es konnten plättchenförmige Kristallite an der Vesikelmembran gezüchtet werden, während bei Anwesenheit von Phosphoserin globuläre Objekte auftraten. Eine Arbeitshypothese wurde entwickelt, die das unterschiedliche Wachstumsverhalten von Calciumphosphat in wässriger Lösung mit einer positiv geladenen Hydrathülle um den Calciumphosphatkeim erklärt. Die Protonen stammen vom deprotonierten Phosphat des Mineralkeims und können sich auf Grund der adsorbierten Wassermoleküle nicht sofort in der Lösung verteilen. Diese Hülle aus H3O+ verhindert das beliebige Anlagern von Ionen an den Mineralkeim und lenkt so dessen Morphologie.

Der hierarchisch strukturierte und hoch geordnete Aufbau von Calciumphosphat und Kollagen in Knochen und Zähnen wird von den Zellen mit Hilfe bestimmter Moleküle erreicht. Diese organischen Moleküle, zumeist Proteine, beeinflussen durch die räumliche Anordnung ihrer Ladung das Präzipitations- und Wachstumsverhalten der mineralischen Phase. Die in dieser Arbeit beschriebenen Computersimulationen zeigen, dass ein Calciumphosphatkomplex mit deprotoniertem Phosphat am stabilsten ist. Vermutlich nimmt die Bindungsenergie pro Oberfläche des Komplexes mit wachsender Größe bis zu einem Ca9(PO4)6 -Komplex (Posner Klaster) linear zu. Die Präzipitation von Calciumphosphat aus wässriger Lösung führt häufig zu amorphen Kugeln mit 50-500 nm Durchmesser, die sphärische Unterstrukturen von ca. 5 nm Durchmesser zeigen und bei großer Dichte zu einer amorphen Schicht verschmelzen. Geringe Unterschiede in der Präparation können aber schon zu stäbchenförmigen oder plättchenartigen Kristalliten führen. Phosphoserin ist eine der wichtigsten Aminosäuren bei der Anbindung von Proteinen an Calciumphosphat. Das Computermodell zeigt an der gesamten Oberfläche dieser Aminosäure ein deutliches elektrisches Potential, dies begünstigt die Wechselwirkung mit Ionen. FT-IR- und NMR-Untersuchungen zeigen, dass Phosphoserin bei Kopräzipitation mit Calciumphosphat höchstwahrscheinlich in die mineralische Phase eingebaut wird. Serin zeigt bei der Kopräzipitation ab 1 mM einen Einfluss auf die Morphologie von Calciumphosphat, während Phosphoserin schon bei 0,01 mM einen deutlichen Einfluss zeigt. Elektronenspray-Ionisations-Massenspektroskopie (ESI-MS) bestätigt die relativ zum Serin intensivere Wechselwirkung von Phosphoserin mit Calciumphosphat. Das wichtigste Protein zur Vermeidung ektopischer Mineralisierung ist Fetuin. Dieses Protein stabilisiert die transient auftretenden amorphen Calciumphosphatkugeln (ACP-Kugeln) und erlaubt so dem Körper deren Entsorgung. Fetuin verhindert das Verschmelzen von ACP-Kugeln, wenn diese in großer Dichte auftreten, wobei deren feine Unterstruktur erhalten bleibt. Trotz des starken inhibitorischen Verhaltens wird das Auflösen von Brushit durch die Anwesenheit von Fetuin praktisch nicht beschleunigt. Auch auf die Kinetik der Assemblierung von Kollagen zeigt Fetuin praktisch keinen Einfluss. Des Weiteren wurde das Nukleationsverhalten des häufigsten, nichtkollagenen Knochenproteins, dem Osteocalcin (OC), mittels ESI-MS beobachtet. Die Untersuchungen von Osteocalcin in Calciumphosphatlösung zeigten Komplexe mit bis zu 8 Ca2+, der größte identifizierbare Komplex bestand aus [OC Ca2 (PO4 )2 Na4 ]+. Um die Mineralisierung von Kollagen genauer zu untersuchen, wurden assemblierte Kollagenfibrillen in der Flüssigzelle eines Atomkraftmikroskops (AFM) mit Calciumphosphat nachmineralisiert. Hierbei wurde eine gleichmäßige Anlagerung der offenbar amorphen mineralischen Phase beobachtet. Die Inkubation der Fibrillen mit Phospholipidvesikeln führte zu einem Aufweichen der Fibrillen. Des Weiteren wurden Phospholipidvesikel hergestellt, um den Calciumphosphatniederschlag in einem räumlich stark begrenzten Abschnitt zu untersuchen. Die Vesikel wurden mit REM und AFM abgebildet und so verschiedene Präparationsmethoden verglichen. Es konnten plättchenförmige Kristallite an der Vesikelmembran gezüchtet werden, während bei Anwesenheit von Phosphoserin globuläre Objekte auftraten. Eine Arbeitshypothese wurde entwickelt, die das unterschiedliche Wachstumsverhalten von Calciumphosphat in wässriger Lösung mit einer positiv geladenen Hydrathülle um den Calciumphosphatkeim erklärt. Die Protonen stammen vom deprotonierten Phosphat des Mineralkeims und können sich auf Grund der adsorbierten Wassermoleküle nicht sofort in der Lösung verteilen. Diese Hülle aus H3O+ verhindert das beliebige Anlagern von Ionen an den Mineralkeim und lenkt so dessen Morphologie.:1 Einführung 1.1 Biomineralisation 1.2 Calciumphosphat 1.3 Phosphoserin 1.4 Kollagen 1.5 Osteocalcin 1.6 Fetuin 1.7 Matrixvesikel 1.8 Fragestellung der Dissertation 2 Material und Methoden 2.1 Computermodellierung 2.2 Chemikalien und Lösungen 2.3 FT-IR-Messungen 2.4 UV/Vis-Messungen 2.5 Massenspektroskopische Experimente 2.6 REM 2.7 TEM 2.8 AFM 2.9 NMR 2.10 XRD 3 Ergebnisse und Interpretation 3.1 Calciumphosphat 3.2 Phosphoserin 3.3 Fetuin 3.4 Osteocalcin 3.5 Kollagen 3.6 Künstliche Vesikel 4 Abschließende Zusammenfassung Anhang Erläuterungen zu den Ergebnissen Glossar Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Erklärung, Danke Publikationen Lebenslauf Index

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.