Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2004. / Computerdatei im Fernzugriff.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2004.

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Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Abbindeverhaltens, der Verarbeitungsqualität und der mechanischen Eigenschaften von Bruschit- bildenden, mineralischen Knochenzementen auf der Basis von ß- Tricalciumphosphat. Die Zemente stellen eine interessante Materialklasse für den Knochenersatz dar, da sie im Gegensatz zu marktgängigen Hydroxylapatit- Zementen durch ihre höhere chemische Löslichkeit im Zeitraum von 6- 12 Monaten resorbierbar sind. Zur Herstellung von ß- TCP wurden verschiedene Parameter variiert, etwa die Sinterdauer, Temperatur sowie Mahlparameter. Durch Mischung von ß-TCP mit primärem Calcium-bis-dihydrogenphosphat Hydrat (MCPM) entstanden abbindefähige Zementformulierungen, deren Druckfestigkeit, Abbindezeit und Phasenzusammensetzung bestimmt wurde. Die mechanische Testung erfolgte hierbei ohne Vorkompression der Zementpaste, so dass die Ergebnisse auch vom klinischen Anwender nachvollziehbar wären. / The aim of this study was to investigate the setting reaction, the manufacturing quality and the mechanical properties of Brushite forming, mineral bone cement based on beta- tricalcium phosphate. These cements belong to a special class of bone substitute material, which provide a better chemical solvation and quicker resorption than conventional hydroxyapatite cement. Beta- TCP was produced with a variation of several parameters, such as the duration of sintering, the sintering temperature and grinding parameters. Beta- TCP / monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) mixtures were found to set and harden like conventional hydraulic cements and were tested by their compressive strength, setting time and the phase composition. The mechanical strength was tested without pre- compression of the cement paste in order to achieve reproducible results by a clinical operator.

Ziel der Arbeit war die Herstellung und materialwissenschaftliche Untersuchung verschiedener Calciumphosphat-Zemente. Zwei unterschiedliche Zementtypen wurden dargestellt: eine Matrix bestand aus thermomechanisch aktiviertem Hydroxylapatit, die bei basischen pH-Werten zu nanokristallinem HA abbindet; eine zweite Matrix aus magnesiumsubstituierten ß-Tricalciumphosphaten und saurem Calcium-bis-dihydrogenphosphat reagiert zu sekundärem Calcium- bzw. Magnesiumhydrogenphosphat als Endprodukt. Die Werkstoffe wurden hinsichtlich ihrer Druckfestigkeit als abgebundener Zement, der Abbindezeit, des pH-Wert-Verlaufs während des Abbindens, mittels XRD-Analyse auf ihre Zusammensetzung, die durchschnittliche Partikelgröße der jeweiligen Mahlungen und auf ihre Dichte hin untersucht. Die bisher ermittelten Kennwerte der Zementmatrices sind auf jeden Fall ein guter Ausgangspunkt für eine spätere klinische Anwendung; die Zemente könnten bisher gebräuchliche Werkstoffe in ihrer Funktion als Knochenersatzpräparate sinnvoll ergänzen. / The aim oft he study was the production and material-scientific investigation of different calcium phosphate cements. Two different cement types were represented: a matrix consisted of thermalmechanically activated hydroxyl apatite, which ties at basic pH values to nano-crystalline ha; a second matrix from magnesium-substituted ß-Tricalciumphosphaten and sour calcium to dihydrogenphosphat reacted to secondary calcium and/or magnesium hydraulic gene phosphate as final product. The materials became regarding their pressure strength as tied cement, the setting time, the pH value process during tying, by means of XRD analysis on their composition, which examines average particle size of the respective grinding and for its density. The characteristic values of the Zementmatrices determined so far are in any case a good starting point for a later clinical application; the cements could supplement materials used so far in their function as bone spare preparations meaningfully.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei modifizierte Knochenzemente auf ihre Klebefestigkeit und Antibiotikafreisetzung untersucht und mit dem herkömmlichen Biomet Bone Cement verglichen. Beiden Modifikationen wurde Hydroxyethylmethacrylat-Phosphat (HEMA-P) untergemischt. Die eine Modifikation war zusätzlich mit Natriumcarbonat und Calciumchlorid beladen. Der mit HEMA-P, Natriumcarbonat und Calciumchlorid modifizierte Knochenzement erreichte initial lediglich 85 Prozent der Zug- und 81 Prozent der Zugscherkräfte des Biomet Bone Cements. Nach einem künstlichem Alterungsprozess lagen die Zug- und Zugscherkräfte auch deutlich unter denen des Vergleichszementes. Allerdings konnte bei diesem Zement eine große Abgabemenge von Antibiotikum festgestellt werden. Diese lag nach Ablauf von 3 Wochen bei Gentamicin etwa zweifach und bei Vancomycin um den Faktor 25 über der Menge, die der Biomet Bone Cement freisetzte. Die Klebefestigkeit und Antibiotikaabgabewerte des mit HEMA-P modifizierten Zementes ähnelten den Werten des Biomet Bone Cementes / The aim of the study was to examine two modified bone cements on its tensile strength and antibiotic release. Both cements were modified with Hydroxyethylmethacrylat phosphate (HEMA-P), the one modification was additionally loaded with Natriumcarbonat and calcium chloride. With HEMA-P, Natriumcarbonat and calcium chloride modified bone cement reached initially only 85 per cent of the tensile strength of the conventional Biomet Bone Cements. After an artificial aging process the tensile strength was also clearly under those of the comparison cement. However a large delivery quantity of antibiotic could be determined with this cement. This lay at expiration of 3 weeks with Gentamicin about doubly and with Vancomycin around the factor 25 over the quantity, which the Biomet Bone Cement set free. The tensile strength and antibiotic release of the cement modified with HEMA-P resembled the values of the Biomet Bone Cementes.

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. / Aim of the present thesis was to investigate self-setting magnesium phosphate cements as bone substitute material with regard to their setting quality, the temperature development during the setting, the injectability and the mechanical properties. Emphasis was placed on the optimization of the rheological properties of the cement paste for a minimally invasive application. Due to electrostatic repulsion of farringtonite particles after adsorption of citrate ions and addition of struvite or TiO2 for setting a bimodal particle size distribution the injectability was vastly improved. The modification of the Mg3(PO4)2 powder and the liquid phase allowed the quantitative injection of the cement through a 40 mm long cannula with an inner diameter of 800 μm with a setting time of approximately 10 minutes. Cements set at P/L ratio 2.0 demonstrated a compressive strength of more than 50 MPa after curing for 24 hours. Although the cement setting reaction resulted in temperatures of up to 67 °C, in vivo studies indicate no side effects within the surrounding hard or soft tissue, which excludes the suspicion of a possible thermal necrosis due to the exothermic setting reaction. This may also be related to the fact that temperature measurements in this work were carried out with a relatively large amount of cement paste (~15 g), whereas in vivo rather smaller amounts (<5 g) are applied.

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Modifizierung von porösem, calciumdefizitärem, nanokristallinem Hydroxylapatit mit verschiedenen Metallionen zu testen. Es wurden α‑TCP‑basierende Zementproben hergestellt, die durch zwei verschiedene Dotierungsmethoden mit bestimmten Metallionen (Cu2+, Co2+, Mn2+, Ni2+, V3+, Zn2+) modifiziert wurden. Die eine Methode bestand in der Zusinterung der entsprechenden Metallionen zum α‑TCP‑Pulver. Bei der anderen Methode waren die Ionen in unterschiedlicher Konzentration (1 mmolar, 100 μmolar, 10 μmolar) in der Binderlösung enthalten. Die hergestellten Zementproben wurden hinsichtlich bestimmter Eigenschaften wie der initialen Abbindezeit und Druckfestigkeit untersucht und zusätzlich rasterelektronenmikroskopischen, röntgen-diffraktometrischen und massenspektrometrischen Analysen unterzogen. Als Referenz diente ein bereits am Menschen erfolgreich als Knochenersatzmaterial eingesetzter nanokristalliner, calciumarmer Hydroxylapatit-Zement. Da Hydroxylapatit nahezu nur durch Osteoklasten mittels einer lokalen pH‑Wert-Absenkung resorbiert werden kann, wurden in‑vitro‑Versuche mit einer immortalisierten Makrophagen-Zelllinie durchgeführt. Über einen 15‑tägigen Versuchszeitraum wurde die Zytokompatibilität mittels bestimmter Zellproliferations- und Zellaktivitätsmessungen überprüft. Zusätzlich wurden die mit Zellen besiedelten Proben unter dem Rasterelektronenmikroskop betrachtet und eine TRAP‑Färbung durchgeführt, um die Differenzierung zu osteoklastenähnlichen Zellen beurteilen zu können. Bei der Auswertung der Versuche wurde deutlich, dass nicht das Metall alleine maßgeblich für Veränderungen der physikalischen Eigenschaften im Vergleich zum metallfreien Referenzzement war. Auch die Art der Metallionendotierung, ob durch Zugabe mit der Binderlösung oder durch Zusinterung, hatte bei den Metallen unterschiedliche Auswirkungen auf die Zementeigenschaften. Während der Versuche wurden Abbindezeiten von 18 Minuten bis über 60 Minuten gemessen und Druckfestigkeiten zwischen 9,3 MPa und 30,5 MPa festgestellt. Bei der Auswertung der Zellversuchsreihe wurde festgestellt, dass die Zellen auf den mit Metallionen modifizierten Zementplättchen tendenziell eine niedrigere Aktivität bei gleich bleibender Proliferation aufwiesen als auf den metallfreien Referenzproben. Dieses Ergebnis konnte mikroskopisch bestätigt werden. / The aim of this work was to test the modification of porous, calcium deficient, nanocrystalline hydroxyapatite with various metal ions. α‑TCP‑based cement samples were prepared which were modified by two different doping methods with specific metal ions (Cu2+, Co2+, Mn2+, Ni2+, V3+, Zn2+). One method consisted in the sintering of the corresponding metal ions to the α‑TCP powder. In the other method the ions were contained in the binder solution in varying concentrations (1 mmolar, 100 μmolar, 10 μmolar). The cement samples produced were examined with regard to certain properties such as the initial setting time and compressive strength, and were additionally subjected to scanning electron microscopy, X-ray diffractometry and mass spectrometry analyzes. A nanocrystalline, calcium-poor hydroxylapatite cement, which has already been successfully used as a bone replacement material in humans, served as a reference. Since hydroxylapatite can be resorbed almost exclusively by osteoclasts by means of a local pH reduction, in vitro experiments with an immortalized macrophage cell line were performed. Cytocompatibility was tested by means of certain cell proliferation and cell activity measurements over a 15-day experimental period. In addition, the cells populated with cells were observed under the scanning electron microscope and a TRAP staining was performed to evaluate the differentiation to osteoclast-like cells. In the evaluation of the experiments, it became clear that the metal alone was not decisive for changes in the physical properties compared to the metal-free reference cement. The nature of the metal ion doping, whether by addition with the binder solution or by sintering, had different effects on the cements properties of the metals. During the tests, setting times of 18 minutes to over 60 minutes were measured and compressive strengths between 9,3 MPa and 30,5 MPa were determined. In the evaluation of the cell test series, it was found that the cells on the metal ions modified cement platelets tended to have a lower activity with a constant proliferation than on the metal-free reference samples. This result could be confirmed microscopically.

Universiẗat, Diss., 2006--Giessen.

Ulm, Univ., Diss., 2007.