Das Ziel dieser Arbeit war es, die grundsätzliche Eignung von verschiedenen Magne-siumammoniumphosphat-Zementen für den eventuellen späteren Einsatz beim Men-schen zu bewerten; dafür wurden diverse in vitro Versuchsreihen zur Prüfung der Biokompatibilität dieser Verbindungen durchgeführt. Als Referenz diente bei diesen Versuchsreihen ein beim Menschen bereits erfolgreich eingesetzter nanokristalliner, kalziumarmer Hydroxylapatit-Zement. Für diese Biokompatibilitätsprüfungen wurde auf den verschiedenen Testoberflä-chen (Mg0,75Ca2,25(PO4)2 –, Mg1,5Ca1,5(PO4)2 –, Mg2,25Ca0,75(PO4)2 –, Mg3(PO4)2 –, Ca3(PO4)2–Zement) eine jeweils definierte Menge an humanen Osteoblasten der Zelllinie MG-63 aufgebracht und diese Zellen wurden danach über einen 14-tägigen Zeitraum kultiviert. Die Biokompatibilitätsüberprüfungen erfolgten mittels bestimmten Zellproliferations- und Zellaktivitätsmessungen; anhand der ermittelten Ergebnisse hinsichtlich Zellzahl und Zellaktivität sollte danach die Eignung dieser neuartigen Magnesiumammoniumphosphat-Zemente zur Verwendung im menschlichen Körper beurteilt werden. Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden die jeweiligen Oberflächenstrukturen der einzelnen Zemente genauer untersucht; außer-dem konnte mit diesen Fotografien das Wachstum und die zelluläre Morphologie von humanen Osteoblasten auf den unterschiedlichen Oberflächen analysiert werden. Bei der Auswertung des Zellwachstums wurden die jeweils höchsten Werte in beiden Versuchsreihen auf dem Hydroxylapatit-Zement gemessen; bei den vier Magnesi-umammoniumphosphat-Zementen waren dagegen weitaus geringere Zellprolifera-tionsvorgänge innerhalb der Versuchsreihen zu beobachten. Auch bei der gesamten mitochondrialen Zellaktivität aller Osteoblasten erreichte der Hydroxylapatit-Zement in beiden Versuchen den maximalen Wert; der Unterschied zu den Werten bei den Magnesiumammoniumphosphat-Zementen war hier allerdings deutlich geringer als bei der Gesamtzellzahl. Vor allem beim Mg3(PO4)2 -Zement konnten in beiden Ver-suchen fast ähnlich hohe Werte beobachtet werden wie beim Hydroxylapatit-Zement. Untersuchte man dagegen die mitochondriale Aktivität der jeweiligen Einzelzelle auf den Oberflächen, unabhängig vom Gesamtwachstum, so konnte für den Hydroxyl-apatit-Zement die niedrigste Aktivität nachgewiesen werden. Die höchste mitochon-driale Einzelzellaktivität hatten in beiden Versuchsreihen die Osteoblasten auf dem Mg3(PO4)2 –Zement; auch die anderen Magnesiumammoniumphosphat-Verbindun-gen konnten trotz des insgesamt geringen Zellwachstums auf diesen Oberflächen re-lativ hohe Werte bei der Einzelzellaktivität erreichen. Insgesamt betrachtet war somit das Zellwachstum auf dem Hydroxylapatit-Zement signifikant stärker ausgebildet als auf allen Magnesiumammoniumphosphat-Verbin-dungen; trotz des im Vergleich geringen Zellwachstums konnte auf den Magnesium-ammoniumphosphat-Zementen aber ein hohes Maß an mitochondrialer Zellaktivität festgestellt werden. Die Auswertung der Oberflächenstruktur der verschiedenen Zemente mittels raster-elektronenmikroskopischer Bilder ergab für den Hydroxylapatit-Zement eine sehr ho-mogene und wenig poröse Oberfläche. Im Gegensatz dazu konnte bei den Magne-siumammoniumphosphat-Zementen (mit Ausnahme des Mg0,75Ca2,25(PO4)2 –Ze-ments) eine sehr raue Oberfläche mit einer starken Porosität nachgewiesen werden. Bei der Analyse der Zellmorphologie der Osteoblasten konnten keine deutlichen Unterschiede auf den verschiedenen Oberflächen beobachtet werden. Es zeigten sich vor allem ähnliche Formen der Zellkörper und auch die Anzahl der Zellen war re-lativ einheitlich; bei den zytoplasmatischen Zellfortsätzen konnten Unterschiede be-züglich ihrer Länge dargestellt werden. Auch die Auswertung der massenspektrometrischen Versuchsreihe ergab für die ver-schiedenen Magnesiumammoniumphosphat-Verbindungen ein sehr einheitliches Bild; beim Vergleich mit der Referenzoberfläche des Hydroxylapatit–Zements zeigte sich jedoch eine deutliche Diskrepanz bezüglich der Freisetzung von den verschie-denen Substanzen. Für die letztendliche Bewertung der Biokompatibilität von Magnesiumammonium-phosphat-Zementen und den eventuellen Einsatz als Knochenersatzmaterial bedarf es allerdings nicht nur zusätzlicher in vitro Versuchsreihen wie in der vorliegender Ar-beit, sondern auch vieler weiterführender Forschungsarbeiten, um die hier erzielten Ergebnisse zu verifizieren. / The aim of this study was to assess the suitability of different magnesiumammoniumphosphate-cements for future use in human body as a bone substitution material.

Tibiakopfimpressionsfrakturen (AO 41-B2.2 – Schatzker III), welche aufgrund der demographischen Entwicklung in ihrer klinischen Relevanz zunehmen, erfordern zur bestmöglichen Frakturstabilisierung eine Schraubenosteosynthese sowie eine stabile metaphysäre Defektauffüllung mittels Knochenersatzmaterial, da anderenfalls ein sekundärer Repositionsverlust mit konsekutiver Gonarthrose droht. Die hierbei eingesetzten Kalziumphosphatzemente bringen klinische Probleme wie geringe mechanische Stabilität, fehlende Bohrbarkeit, welche eine unvollständige Defektauffüllung bedingt, ungewisse Resorption und unüberprüfte Herstellerangaben mit sich. Diese Studie hatte daher zum Ziel, einen bohrbaren Kalziumphosphatzement und einen Magnesiumphosphatzement, welche als vielversprechende Alternativen aufgrund der klinischen Schwierigkeiten erscheinen, gegen Graftys® Quickset und ChronOS™ Inject biomechanisch einzuordnen und somit langfristig zu einer verbesserten Frakturversorgung beizutragen. Der erste Teil der Studie bestand aus einer reinen Materialprüfung, in der mittels Zementquader Druckversuche und mittels Ausrisskörper Zugversuche durchgeführt wurden. Im zweiten Teil wurde ein Frakturmodell für Impressionsfrakturen an Kunstknochen benutzt, um die Zemente hierbei zur Defektauffüllung zu verwenden und alleine sowie in Kombination mit einer Osteosynthese in der Jail-Technik zu testen. Es erfolgte eine zyklische Belastung mit 3000 Zyklen zu je 250 N sowie anschließend eine Maximalkrafttestung (Load-To-Failure) mit Hilfe einer Materialprüfmaschine. Der Magnesiumphosphatzement zeigte die signifikant höchste Kompressionsfestigkeit von 100,50 MPa ± 15,97 MPa und Ausrisskraft sowie im Verbund mit Knochen das geringste Displacement, höchste Maximalkraft und Steifigkeit. Kalziumphosphat bohrbar wies aufgrund seines pseudoplastischen Verhaltens eine geringe biomechanische Stabilität und ein hohes Displacement auf, konnte aber durch seine Bohrbarkeit gegenüber Graftys® Quickset bei Einsatz mit Schrauben einen Vorteil im Displacement erreichen und somit die Vorzüge eines bohrbaren Knochenzements aufzeigen. ChronOS™ zeigte nach Aushärtung im Wasserbad mit einer Kompressionsfestigkeit von 0,58 MPa ± 0,14 MPa eine niedrige biomechanische Stabilität und wurde daher nicht weiter untersucht. Da die Viskosität eines Zements neben anderen Faktoren für die Interdigitation mit den Spongiosahohlräumen im Knochen verantwortlich ist, lässt sich, sofern diese angemessen ist, Rückschlüsse von der Materialprüfung auf das Verhalten im Knochen ziehen. Magnesiumphosphatzemente erscheinen aufgrund ihrer hohen biomechanischen Stabilität und vermutlich guten Resorptionsrate als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kalziumphosphatzementen und bedürfen daher einer weiteren Überprüfung im Tierversuch. / Bone substitutes are commonly used for filling up bone defects like in tibial head fractures. Different types of commercial bone substitutes are available, but comparable biomechanical studies especially analysing the substitute-bone interaction are missing. Thus, this study investigated the basic biomechanical characteristics of different bone substitutes, the bonesubstitute interface and the combination of substitute and screw osteosynthesis in a biomechanical fracture model for tibial head fractures (Schatzker III fractures). An in-house developed drillable apatite cement with HEMA-Hydrogel and an in-house developed magnesium phosphate cement were compared with two commercial cements, one brushite and one apatite cement, namely ChronOS™ Inject and Graftys® Quickset. In axial compression tests, the compressive strength and in screw pull-out tests, the pull-out strength were determined. In a tibial head fracture model, the bone substitutes were applied for filling up the bone defect, alone and in combination with a screw osteosynthesis. Displacement of the fracture fragment, maximum load and stiffness were calculated in cyclic and maximal axial loading tests. All tests were performed in the material testing machine Zwick Roell® Z020. The drillable apatite cement exhibited lower compressive strength (6.8±1.4 MPa) and screw pullout force (129±38 N) compared to its counterpart Graftys® (19.0±2.5 MPa, 295±39 N), but showed comparable displacement (~2 mm) and maximum load (3.5-3.8 kN) in the fracture model combined with the Jail-Technique. This may be due to the fact that the drillable cement allowed for drilling after replenishment and thus precise dispersion of the cement paste. The magnesium phosphate cement revealed a significant higher compressive strength (100.5±16.0 MPa), screw pull-out strength (1.7±0.2 kN) and a significant lower displacement (~1.5 mm) compared to the other bone substitutes. Probably due to its high intrinsic strength combined with a low viscosity to fill the complete defect. For the combination with screws, all bone substitutes revealed higher maximum loads and stiffness values. In conclusion, magnesium phosphate cement provided a high biomechanical stability in the pure material testing series and also in the substitute-bone interaction tests. Due to a low viscosity, the cement revealed a high integration in the spongiosa and a complete filling up of the bone defect around the placed screws. Moreover, a drillable bone substitute is favourable as the dispersion of the cement paste is not hindered by formerly placed screws. For tibial head fractures, only the combination of bone substitute and screw osteosynthesis provides under lower and maximal loading conditions an adequate stability.

In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche zementbasierte Knochenersatzmaterialien hinsichtlich ihres Potentials zur Behandlung knöcherner Defekte in vivo untersucht. Zwei verschiedene Calcium-dotierten Magnesiumphosphat Zementformulierungen (CMPC) wurden mit einem Referenzmaterial aus Calciumphosphat Zement (CPC) verglichen. Dazu wurden auf Basis von CMPC präfabrizierte, injizierbare Pasten bzw. sphärische Granulate hergestellt und anhand von orthotopen, potenziell kraftbelasteten Defekten in Kaninchenfemora getestet. Zentrales Ziel hierbei war es, herauszufinden, wie sich die Materialien in Defektsituationen mit Hartgewebekontakt biologisch verhalten und degradieren bzw. in Knochen umbauen. Nach einer Liegedauer von 6 bzw. 12 Wochen wurden die Knochenneubildung und die Degradation der Materialien mittels Histomorphometrie analysiert. Alle Materialien waren biokompatibel und führten zur Bildung von neuem Knochen. Der CMPC-Zement zeigte im Vergleich zu CPC einen beschleunigten Abbau, während sich am Referenzmaterial mehr mineralisierter Knochen bildete. Die untersuchten Calcium-dotierten Struvit-bildenden Magnesiumphosphatzemente erwiesen sich als biokompatibel, gut resorbierbar und stellen mit ihrer Fähigkeit zur Knochenbildung ein vielversprechendes Knochenersatzmaterial dar. / Two different bone replacement materials where tested for their in vivo bone regeneration capacity. Two different calcium-magnesia-phosphate cement (CMPC) formulations in form of premixed, injectable oil-based cement paste and granulates and a reference calcium-phosphate cement (CPC) cement were implanted into semi-load bearing femoral drill hole in rabbits. After 6 or 12 weeks the implants were retrieved, and cement degradation and new bone formation was analyzed by histomorphometry. The result showed that all cements where biocompatible, triggered the formation of and were surrounded by new bone. The CMPC cement showed an accelerated degradation compared to CPC, while more new bone was built on the CPC materials. The calcium-doped magnesium phosphate cement materials exhibited regeneration of the host bone and demonstrated enhanced degradability in vivo, which makes them a promising bone replacement material.

In der hier vorliegenden Studie wurden drei verschiedene Modifikationen des Calcium-Phosphat-Zementes BoneSource® sowie Vergleichssubstanzen hinsichtlich der Überprüfung ihrer Biodegradation und Biokompatibilität untersucht und verglichen. Die histomorphologische Auswertung und Beurteilung der verschiedenen Modifikationen des Calcium-Phosphat-Zementes BoneSource® bezüglich Biodegradation, Resorption und Biokompatibilität sowie die Beurteilung einer eventuellen Osteoneogenese waren damit Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Der Calcium-Phosphat-Zement (CPZ) BoneSource® ohne Zusätze (Versuchsgruppe 1) zeigte dabei eine Osteokonduktivität im Knochen sowie im Muskel- bzw. Weichgewebe eine Biotoleranz. Eine Resorption oder Degradation war im Unterschied zu anderen Studien nicht nachweisbar. Der Calcium-Phosphat-Zement BoneSource® in einem Volumenmischungsverhältnis 1:1 mit dem osteoinduktiven Knochenkollagen (KK) Colloss® (Versuchsgruppe 2) verhielt sich in den Arealen mit BoneSource®-Anteilen (CPZ) wie in Versuchsgruppe 1 osteokonduktiv und bioinert im Knochen und wurde im Muskel- und Weichgewebe biotoleriert. Die Areale mit Colloss® (KK) im Materialgemisch zeigen ein osteoinduktives Potenzial und damit ein bioaktives Verhalten. Es ist hier eine Osteoneogenese zu verzeichnen. Trabekel neuentstandenen Knochens waren dabei sowohl in den Knochen- als auch in den Muskelpräparaten nachweisbar. Eine vollständige knöcherne Substitution der gesetzten Defekte war nicht zu verzeichnen. Der Calcium-Phosphat-Zement BoneSource® mit 1:1-Volumenverhältnismischung mit Alpha-Tricalciumphosphat (BioBase®; Versuchsgruppe 3) führte im Vergleich zur Versuchsgruppe 1 zu einer geringfügigen Verbesserung der osteokonduktiven Eigenschaften mit histologisch nachweisbarer geringfügiger oberflächlicher Degradation und partieller lokaler Resorption. Im Vergleich zur Versuchsgruppe 2 waren diese Resorptionserscheinungen jedoch deutlich weniger ausgeprägt. Bei der Versuchsgruppe 4 wurde als Kontrollgruppe das derzeit meistverwendete nichtresorbierbare polymere Implantatmaterial Polymethylmethacrylat (PMMA; Palacos®) mitgeführt. In beiden Einsatzgebieten (Knochen und Muskel) waren die Implantate eingescheidet und wurden demzufolge biotoleriert. Bei den Knochenpräparaten liegt ein bioinertes Verhalten des Lagergewebes gegenüber PMMA vor. Bei der Versuchsgruppe 5 wurde als 2. Kontrollgruppe ein Leerdefekt präpariert, der mit Gelatine gefüllt wurde, welches bei bekannter Resorptionsfähigkeit innerhalb weniger Wochen postoperativ einen vollständigen Ersatz durch körpereigenen Knochen in den Knochenpräparaten bzw. einen Ersatz durch Narbengewebe in den Muskelpräparaten aufwies. Bei der Versuchsgruppe 6 (Kontrollgruppe) wurde eine nichtoperierte Kohorte Versuchstiere mitgeführt, um alters- und/oder diätbedingte Veränderungen abschätzen bzw. beurteilen zu können. Es fanden sich bei den Versuchstieren am Ende des Versuchszeitraumes lediglich physiologische altersbedingte Veränderungen. Die großen inneren Organe der Versuchstiere wurden histologisch untersucht, um eventuelle systemische Auswirkungen der o.g. Modifikationen des Calcium-Phosphat-Zementes BoneSource® beurteilen zu können. Dabei konnten keine pathologischen Veränderungen gefunden werden. Es liegen somit keine systemischen Auswirkungen der Implantatmaterialien vor. Im Laufe der Versuchszeit traten vereinzelt Tumore auf, die jedoch nicht den Implantatmaterialien geschuldet sind und einer spontanen Tumorgenese zugeordnet werden konnten. Spontane Todesfälle sind unabhängig von den Implantatmaterialien aufgetreten. Gemessen an der Zielsetzung sind die gefundenen Ergebnisse dieser Studie statistisch auswertbar, objektivierbar und für die Weiterentwicklung von Knochenersatzmaterialien relevant. Insbesondere wird auf die in dieser Studie nicht erfolgte Degradation von CPZ und Alpha-TCP und das osteoinduktive Potenzial des untersuchten Kollagens / In this study we examined and compared three different modifications of the calcium-phosphate-cement BoneSource and also further substances in the dimensions of biodegradation and biocompatibility. The histomorphologic interpretation and assessment of different modifications of the calcium-phosphate-cement BoneSource refer to biodegradation, resorption and biocompatibility and the assessment of a possible osteogenesis were the issues of this study. The results of this study are statistically evaluatible, objective and relevant to further development of bone substitute materials. Especially we point to the nondegradation of calcium-phosphate-cements and alpha-TCP and the osteoinductive potential of the examined collagen.

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Ziel der Arbeit war es in einem pulvermetallurgischen Ansatz gasverdüste Ti-45Nb-Pulver mittels Heißpressen zunächst zu kompakten Formkörpern zu verpressen und über geeignete Gefügeeinstellung und bestmöglicher Partikelverzahnung maximale Druckfestigkeiten bei gleichzeitig niedrigem E-Modul zu erhalten. In einem nächsten Schritt wurden mittels Heißpressen mit Platzhalterphase definierte Porenanteile in die Formkörper eingebracht und der Einfluss dieser auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die porösen Strukturen sollen als Knochenersatzmaterial in einem osteoporotischen Knochendefekt dienen. In einem solchen Defekt stellen Druckkräfte den dominierenden Belastungsfall dar. Die mechanische Charakterisierung der im Rahmen der Arbeit erzeugten porösen Formkörper erfolgte daher im Druckversuch. Die Oberfläche eines metallischen Knochenersatzmaterials muss chemisch und topografisch modifiziert werden, um damit Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen zellbiologischen Prozessen zum Knochenauf- und -abbau an der Grenzfläche zwischen Implantat und Knochengewebe zu nehmen. Im speziellen Fall von Osteoporose, wo dieses Gleichgewicht nachweislich gestört ist, spielt die Stimulation des Knochenaufbaus eine besondere Rolle. Für Strontiumspezies konnte eine das Knochenwachstum stimulierende Wirkung und die Inhibierung des Knochenabbaus in mehreren Studien gezeigt werden. Ein weiteres Ziel der Arbeit stellte daher die Erzeugung von strontiumhaltigen Hydroxylapatitschichten mittels Elektrodeposition dar. Die erzeugten Schichten wurden strukturell, morphologisch und chemisch charakterisiert. Weiterhin wurden die Sr-Freisetzung aus den Schichten und die zellbiologische Wirkung untersucht. Konzepte zur Abscheidung auf planaren Legierungsoberflächen konnten in einem nächsten Schritt im Rahmen einer Machbarkeitsstudie auf poröse Ti-45Nb Strukturen übertragen werden. / Aim of the work was the production of dense Ti-45Nb material by hot-pressing of gas-atomized Ti-45Nb powder. Maximum compression strength and low Young’s modulus values were obtained by means of a tailored microstructure and improved interlinking of the powder particles. In a next step defined amounts of porosity were introduced by hot-pressing the alloy powder with a space holder phase. The produced porous structures should be used as bone substitute material in an osteoporotic bone defect. Compression is the dominating load in such a defect. Accordingly, compression tests were conducted to assess the mechanical properties. The surface state of metallic bone replacement materials plays an important role regarding the osseointegration of the material into the surrounding bone tissue. A chemical and topographical modification of the surface is necessary to influence the equilibrium between the formation and resorption of bone on the interphase of implant and bone tissue. Especially in case of osteoporosis the stimulation bone formation is essential. Several studies have shown that strontium species have a positive effect on the formation of bone tissue and the inhibition of bone resorption. Therefore, a further aim of the work was the electrodeposition of Sr-containing hydroxyapatite layers and the structural, morphological and chemical characterization of the deposited layers. Furthermore, the release of Sr-species from the layers and the effect on hMSC (human mesenchymal stroma cells) were examined. Originating from studies on planar alloy surfaces, the transfer of the deposition approaches was shown in a proof of concept on the porous Ti-45Nb scaffolds.