Ulm, Univ., Diss., 2008.

Univ., Diss.--Hamburg, 1999.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2006

Calcium phosphate biocements are inherently brittle materials due to their ceramic nature. Hence, currently applied cement formulations are only indicated for non-load bearing application sites. An approach to reduce cement brittleness is based on the use of cement – polymer composites, which combine the flexibility of a polymeric phase with the hardness and compression strength of a cement matrix. Here, a relatively new strategy is the use of “dual-setting” cements, in which the polymeric phase is simultaneously build up from monomers or prepolymers during cement setting. This approach largely maintains basic properties of the fresh paste such as rheology or setting time. Previous works on such dual setting cements were dealing with a radical polymerization reaction to create the polymeric network. This type of reaction requires the addition of a suitable initiator system (e.g. a tertiary amine in conjunction with ammonium peroxosulfate), which are often cytotoxic and may interfere with the cement setting conditions. The current thesis dealt with alternative strategies, in which the cross-linking and gelation of the second (polymeric or inorganic) cement phase is initiated by the chemical conditions of the setting reaction such that no additional initiator has to be added to the cement paste. In a first approach a six armed star molecule functionalized with isocyanate groups as reactive termini (NCO–sP(EO-stat-PO)) was used to build up a hydrogel matrix, which was then subsequently mineralized with hydroxyapatite nanocrystals following the hydrolysis of incorporated -tricalcium phosphate particles. The stimulus to initiate hydrogel cross-linking are water molecules, which subsequently hydrolyzed isocyanate groups to amines, which then cross-linked with unreacted isocyanate to form urea-bonds. Here, it was possible to show the advantages features of a dual setting system in comparison to the simple combination of hydrogels with unreactive filler particles. By the formation of the cement matrix within the hydrogel a strength improvement by the factor of 30 could be observed. Furthermore, by applying a dual setting system higher mineral concentrations are realizable. The mechanical properties such as elasticity, compression strength and E-modulus of a composite with 30 wt% NCO–sP(EO-stat-PO) were found to be similar to the properties of cancellous bone. With the motivation to develop a dual setting and resorbable cement, a brushite (CaHPO4·2H2O) forming cement was modified with a second inorganic silica based precursor. The latter was obtained by pre-hydrolysing tetraethyl orthosilicate (TEOS) under acidic conditions. This silica precursor was mixed with a cement powder composed of ß-tricalcium phosphate and monocalcium phosphate, whereas cement setting occurred by a dissolution–precipitation process to form a matrix of brushite. Simultaneously, the increase of the pH during setting from initially 1-2 to values > 4 initiated the condensation reaction of the hydrolysed TEOS. This resulted in an interpenetrating phase composite material in which the micropores of the cement were filled with the nanoporous silica gel. This resulted in a higher density and a compressive strength of 24 MPa, which is approximately 5-10 times higher than the CPC reference at the same powder to liquid ratio. The microporous character of the composites also altered the release of vancomycin as a model drug, whereby in contrast to the quantitative release from the CPC reference, approx. 25 % of the immobilised drug remained in the composite matrix. It was also observed, that a variation of the TEOS content in the composite enabled a control over cement phase composition to form either brushite, anhydrous monetite or a biphasic mixture of both. Cytocompatibility tests revealed that composites with the highest silicate content showed an increased cell proliferation compared to the silica-free brushite reference. Proliferation was found to be similar to a hydroxyapatite reference with a significant higher activity per cell. Mechanistically, the improved biological response could not be attributed to the released silicate ions, but to a decreased release of phosphate and adsorption of magnesium ions from the cell culture medium. Finally, an investigated dual setting cement system was based on the combination of a brushite forming cement powder with an aqueous silk fibroin solution. Here, changes of both ion concentration and pH during cement setting were shown to build up an interpenetrating fibroin – brushite composite with combined properties of the elastic polymer and the rigid cement. Mechanistically, the low pH of the cement paste (2) as well as the free Ca2+ ions during setting resulted in a conformation change of the dissolved fibroin from random coil to ß-sheet structure. This leads to a rapid gelation and contraction of the fibroin phase with a self-densifying effect on the cement paste. The set composites showed typical ductile fracture behavior under dry testing conditions and a high elasticity under wet conditions with a mechanical strength nearly an order of magnitude higher than the fibroin free cement reference. Cell number and activity against MG63 cells were strongly increased on silk fibroin cement composite surfaces at later time points, which could be again attributed to a decreased ion release and adsorption compared to the fibroin free cements. This in turn slowed down the in vitro degradation of the CPC phase in such composites. / Calciumphosphat-Knochenzemente sind auf Grund ihrer keramischen Struktur inhärent spröde Werkstoffe, weswegen sie gegenwärtig nur für nicht-kraftbelastete Anwendungsbereiche verwendet werden. Ein Ansatz zur Verringerung des spröden Verhaltens basiert auf der Verwendung von Zement – Polymer Kompositen, welche die Flexibilität der Polymerphase mit der hohen Härte und Druckfestigkeit des Zements vereinen. Eine relativ neue Strategie sind dabei sogenannte dual-härtende Zemente, in denen die Polymerphase aus Monomeren bzw. Präpolymeren simultan zur Abbindereaktion des Zements aufgebaut wird. Dieser Ansatz ist insofern vorteilhaft, als dass die grundlegenden Eigenschaften der Zementpaste, wie etwa deren Rheologie oder Abbindedauer, hierbei weitgehend erhalten bleiben. In frühere Arbeiten zu dual-härtenden Knochenzementen wurden die Monomere radikalisch vernetzt. Die dabei notwendigen Initiatorsysteme (z.B. tertiäres Amin und Ammoniumperoxosulfat) sind jedoch zytotoxisch und können zudem mit der Zementreaktion nachteilig interferieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit alternativen Lösungstrategien, bei denen die Vernetzung der sekundären (organischen oder anorganischen) Zementphase durch die Reaktionsbedingungen der Zementpaste initiiert wird, sodass kein zusätzlicher Initiator der Paste zugesetzt werden muss. In einem ersten Ansatz wurden Isocanat-modifizierte, sternförmige Präpolymere (NCO–sP(EO-stat-PO)) zum Aufbau der Hydrogelmatrix durch Hydrolyse von zugesetzten α-Tricalciumphosphat Partikeln schrittweise mit Hydroxylapatit Nanokristalliten mineralisiert. Die Vernetzung des Hydrogels in der Paste wurde durch Wasser stimuliert, wobei in einem zunächst Isocyanatgruppen zu Aminen hydrolysiert wurden, die anschließend mit weiterem Isocyanat zu Urethanbindungen reagierten. Hier konnte der Vorteil von dualhärtenden Systemen im Vergleich zu Hydrogelen, denen nichtreaktive Partikel untergemischt werden, gezeigt werden. Durch den Aufbau der Zementmatrix im Hydrogel ergab sich eine um den Faktor 30 erhöhte Festigkeit. Zusätzlich ermöglicht diese Vorgehensweise den Einsatz von erhöhten Mineralgehalten. Die mechanischen Eigenschaften der Komposite mit 30 Gew.% NCO–sP(EO-stat-PO) wie Elastizität, Druckfestigkeit und E-Modul waren dabei vergleichbar mit den Eigenschaften von spongiösem Knochen. Mit dem Ziel einen dualhärtenden, resorbierbaren Zement zu entwickeln, wurde ein Bruschit (CaHPO4·2H2O) bildender Zement mit einer zweiten anorganischen Matrix aus einem silikatischen Precursor modifiziert. Letzterer wurde durch Hydrolyse von Tetraethylorthosilikat (TEOS) unter sauren Bedingungen hergestellt. Das so erhaltene Silicasol wurde anschließend mit dem Zementpulver aus β-Tricalciumphosphat und primärem Calcium-bis-dihydrogenphosphat gemischt, wodurch die Zementreaktion zu Bruschit durch einen Lösungs – Fällungsmechanismus gestartet wurde. Der zeitgleich einsetzende Anstieg des pH-Werts von initial 1-2 auf Werte im Bereich von >4 führt dabei zur Kondensation des Silicasols. Resultat waren interpenetrierende Netzwerke, wobei die Mikroporen der Bruschitzementmatrix mit dem nanoporösem Silicagel gefüllt sind. Dadurch ergibt sich eine höhere Dichte der Zementmatrix und eine mit 24 MPa um den Faktor 5-10 höhere Druckfestigkeit der Komposite gegenüber der Referenz bei gleich bleibendem Pulver-Flüssigkeits-Verhältnis. Der nanoporöse Charakter des Komposites beeinflusst die Freisetzung von Vancomycin als Modellwirkstoff, wobei im Gegensatz zur silicafreien Referenz ca. 25% des Wirkstoffs in der Matrix verblieben. Die Variation des TEOS Gehalts ermöglichte zeitgleich die gezielte Beeinflussung der Zusammensetzung der mineralischen Zementphase mit Bildung von Bruschit, dessen Anhydrid Monetit oder Mischungen aus beiden Verbindungen. Zytokompatibilitätstests an den Kompositen zeigten, dass die höchsten Silicagehalte zu einer verbesserten Proliferation von Zellen auf den Oberflächen gegenüber der silicafreien Referenz führten. Das Zellwachstum war vergleichbar mit einer Referenz aus Hydroxylapatit, wobei deutlich höhere Aktivitäten pro Zelle gemessen wurden. Mechanistisch konnte die verbesserte Zytokompatibilität nicht der Freisetzung von Silikationen zugeordnet werden, vielmehr war eine verminderte Freisetzung von Phosphat und eine geringere Tendenz zur Adsorption von Magnesiumionen aus dem Zellkulturmedium der Grund. Ein abschließender Ansatz bestand aus der Kombination aus einem Bruschit-bildenden Zement und einer wässrigen Seidenfibroin-Lösung. Hier erfolgte der Aufbau der interpenetrierenden Bruschit – Fibroin Netzwerke über den sauren pH-Wert sowie den Anstieg der Ionenkonzentration im System durch die ablaufende Zementreaktion. Somit werden die Eigenschaften des elastischen Polymers und der festen Zementphase erfolgreich kombiniert. Mechanistisch führt dabei der initial saure pH Wert (2) und die während der Reaktion vorhandenen freien Ca2+ Ionen zu einer Konformationsänderung des gelösten Fibroins von eine Zufallsstruktur hin zur β-Faltblattstruktur. Dies führt zur schnellen Gelierung und Kontraktion der Fibroinphase, einhergehend mit einer Selbstverdichtung der gesamten Paste. Die abgebundenen Komposite zeigten typischerweise duktile Brucheigenschaften im trockenen Zustand und eine hohe Elastizität unter wässrigen Testbedingungen, wobei sich um eine Größenordnung höhere Festigkeiten gegenüber der fibroinfreien Referenz ergaben. Zellzahl und Aktivität von MG63 Zellen waren auf den Seidenfibroin-Zementkompositen bei späteren Messzeitpunkten deutlich erhöht, was ebenfalls auf eine geringere Ionenfreisetzung bzw. -adsorption aus dem Medium rückgeführt werden kann. Zeitgleich konnte hierdurch die in vitro Degradation der Zementphase in solchen Kompositen verringert werden.

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung eines neuen bohrbaren Kalziumphosphatzements (Norian drillable Synthes GmbH) sowohl als alleiniges Knochenersatzmaterial als auch in Kombination mit Schrauben, die in Jail-Technik angebracht wurden bei der Versorgung von lateralen Tibiakopfimpressionsfrakturen. Laterale Tibiakopfimpressionsfrakturen wurden dafür in einem biomechanischen Frakturmodell künstlich erzeugt. Die Präparate wurden mit Knochenersatzmaterial (Gruppe 1), Knochenersatzmaterial mit zusätzlichen vier Schrauben in Jail-Technik (Gruppe 2) oder lediglich mit vier Schrauben (Gruppe 3) stabilisiert. Anschließend wurde das Einsinken des Knochens (Displacement) unter zyklischer Belastung sowie Steifigkeit und Maximalbelastung in load-to-failure-Tests ermittelt. Die Gruppen, die mit Knochenersatzmaterial versorgt wurden, zeigten unter zyklischer Belastung ein geringeres Displacement und eine höhere Steifigkeit. Die Maximalbelastung, der die Knochen in der Load-to-failure-Testung standhielten, war indes höher für die Gruppen, die mit Schrauben versorgt wurden. Fazit: Die Kombination aus Unterfütterung mit Knochenersatzmaterial und Stabilisierung mit Schrauben bietet die umfangreichste Versorgung bei lateralen Tibiakopfimpressionsfrakturen. / The aim of this study was to investigate a new drillable calcium phosphate cement (Norian drillable Synthes GmbH) as a bone substitute either alone or in combination with screws in the jail technique with regard to the primary stability in lateral tibial depression fractures. Lateral depression fractures of the tibial plateau were created in a biomechanical fracture model. After reduction they were stabilised with bone substitute (group one), bone substitute with additional four screws in the jail technique (group two) or four screws only (group three). Displacement under cyclic loading, stiffness and maximum load in load-to-failure tests were determined. The groups with the bone substitute showed a lower displacement of the depressed articular fragment under cyclical loading and a higher stiffness. The maximum load was higher for the groups with screws. Conclusions: Only the combination of bone substitute and screws prevented secondary loss of reduction and, at the same time, provided enough stability under maximum load.

Universiẗat, Diss., 2006--Giessen.

Synthetic bone replacement materials have their application in non-load bearing defects with the function of (re-)construction or substitution of bone. This tissue itself represents a biological composite material based on mineralized collagen fibrils and combines the mechanical strength of the mineral with the ductility of the organic matrix. By mimicking these outstanding properties with polymer-cement-composites, an imitation of bone is feasible. A promising approach for such replacement materials are dual setting systems, which are generated by dissolution-precipitation reaction with cement setting in parallel to polymerization and gelation of the organic phase forming a coherent hydrogel network. Hereby, the high brittleness of the pure inorganic network was shifted to a more ductile and elastic behavior. The aim of this thesis was focused on the development of different dual setting systems to modify pure calcium phosphate cements’ (CPCs’) mechanical performance by incorporation of a hydrogel matrix. A dual setting system based on hydroxyapatite (HA) and cross-linked 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) via radical polymerization was advanced by homogenous incorporation of a degradable cross-linker composed of poly(ethylene glycol) (PEG) as well as poly(lactic acid) (PLA) with reactive terminal methacrylate functionalities (PEG-PLLA-DMA). By integration of this high molecular weight structure in the HEMA-hydrogel network, a significant increase in energy absorption (toughness) under 4-point bending testing was observed. An addition of only 10 wt% hydrogel precursor (referred to the liquid phase) resulted in a duplication of stress over a period of 8 days. Additionally, the calculated elasticity was positively affected and up to six times higher compared to pure HA. With a constantly applied force during compressive strength testing, a deformation and thus strain levels of about 10 % were reached immediately after preparation. For higher degradability, the system was modified in a second approach regarding organic as well as inorganic phase. The latter component was changed by brushite forming cement that is resorbable in vivo due to solubility processes. This CPC was combined with a hydrogel based on PEG-PLLA-DMA and other dimethacrylated PEGs with different molecular weights and concentrations. Hereby, new reaction conditions were created including a shift to acidic conditions. On this ground, the challenge was to find a new radical initiator system. Suitable candidates were ascorbic acid and hydrogen peroxide. that started the polymerization and successful gelation in this environment. These highly flexible dual set composites showed a very high ductility with an overall low strength compared to HA-based models. After removal of the applied force during compressive strength testing, a complete shape recovery was observed for the samples containing the highest polymeric amount (50 wt%) of PEG-PLLA-DMA. Regarding phase distribution in the constructs, a homogenously incorporated hydrogel network was demonstrated in a decalcifying study with ethylenediaminetetraacetic acid. Intact, coherent hydrogels remained after dissolution of the inorganic phase via calcium ion complexation. In a third approach, the synthetic hydrogel matrix of the previously described system was replaced by the natural biopolymer gelatin. Simultaneously to brushite formation, physical as well as chemical cross-linking by the compound genipin was performed in the dual setting materials. Thanks to the incorporation of gelatin, elasticity increased significantly, in which concentrations up to 10.0 w/v% resulted in a certain cohesion of samples after compressive strength testing. They did not dissociate in little pieces but remained intact cuboid specimens though having cracks or fissures. Furthermore, the drug release of two active pharmaceutical ingredients (vancomycin and rifampicin) was investigated over a time frame of 5 weeks. The release exponent was determined according to Korsmeyer-Peppas with n = 0.5 which corresponds to the drug liberation model of Higuchi. A sustained release was observed for the antibiotic vancomycin encapsulated in composites with a gelatin concentration of 10.0 w/v% and a powder-to-liquid ratio of 2.5 g/mL. With respect to these developments of different dual setting systems, three novel approaches were successfully established by polymerization of monomers and cross-linking of precursors forming an incorporated, homogenous hydrogel matrix in a calcium phosphate network. All studies showed an essential transfer of mechanical performance in direction of flexibility and bendability. / Synthetische Knochenersatzmaterialien finden ihre Anwendung im Bereich nicht lasttragender Defekte zum Wiederaufbau und Ersatz von defekter oder verlorener Knochensubstanz. Diese stellt aufgrund ihres Aufbaus aus mineralisierten Kollagen-Fibrillen selbst ein biologisches Komposit-Material dar, welches die mechanische Festigkeit des Minerals mit der Duktilität der organischen Matrix kombiniert. Eine Nachahmung dieser herausragenden Eigenschaften des Knochens wird im Sinne eines Ersatzmaterials durch geeignete Polymer-Zement-Komposite ermöglicht. Ein vielversprechender Ansatz für solche Komposite sind hierbei dual härtende Systeme, bei denen die Lösungs-Fällungs-Reaktion der Zementbildung parallel zur Polymerisation oder Gelierung der organischen Phase zu einem kohärenten Hydrogelnetzwerk abläuft. Die hohe Sprödigkeit und Bruchanfälligkeit rein anorganischer Netzwerke sollte dabei durch die Integration elastischer Polymerkomponenten hin zu mehr Flexibilität und Elastizität modifiziert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene dual härtende Hybrid-Materialien entwickelt, um etablierte Calciumphosphatzemente durch Einbringen von zusätzlicher Hydrogel-Matrizes bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften zu modifizieren. In ein dual härtendes System aus Hydroxylapatit (HA) und radikalisch vernetztem 2-Hydroxyethlymethacrylat (HEMA), wurde ein abbaubarer Cross-linker aus Polyethylenglykol (PEG) und Polymilchsäure (PLA)-Einheiten homogen inkorporiert, der mittels einer Reaktion der terminalen Methacrylatfunktionen (PEG-PLLA-DMA) zur Ausbildung der Vernetzungen führte und mittels PLLA hydrolytisch labile Esterbindungen ins System integrierte. Durch Einbringen dieser hochmolekularen Polymere in das engmaschige HEMA-Hydrogelnetzwerk kam es zu einer signifikanten Erhöhung der Energieaufnahme des Konstruktes unter 4-Punkt-Biegebelastung im Vergleich zum bereits etablierten System. Durch Zusatz von 10 Gew% hochmolekularem Hydrogel Präkursor (bezogen auf die flüssige Phase) konnte über einen Zeitraum von acht Tagen ein zweifach höherer Bruchwiderstand erhalten werden, verbunden mit einer bis zu sechsfach höheren Elastizität gegenüber reinem HA Zement. Zur Steigerung der Bioabbaubarkeit wurde in einem zweiten Ansatz durch Austausch der anorganischen Komponente mit einem in vivo leichter resorbierbaren Bruschit Zement das dual härtende System modifiziert. Dabei wurden dimethacrylierte PEGs verschiedener Molekulargewichte in unterschiedlichen Konzentrationen mit dem Zementpulver kombiniert. Die Reaktionsbedingungen im sauren Milieu erforderten den Austausch des radikalischen Initiator-Systems, wobei sich eine Kombination aus Ascorbinsäure und Wasserstoffperoxid als geeignet erwies. Die so erhaltenen dual härtenden Komposite zeigten eine sehr hohe Duktilität und Flexibilität bei insgesamt niedriger Festigkeit im Vergleich zu HA-basierenden Systemen. So fand im Druckversuch eine vollständige Relaxation zu den Ausgangsabmessungen des Prüfkörpers bei einem hohen Polymeranteil an PEG-PLLA-DMA (50 Gew%) statt. Die homogene Verteilung der inkorporierten Polymerphase wurde mittels Decalcifizierung durch Ethylendiamintetraessigsäure bewiesen. Hierbei wurden durchgängige Hydrogele nach Herauslösen der anorganischen Phase durch Komplexierung von Calcium-Ionen erhalten. Abschließend wurde die auf synthetischen Polymeren basierende Hydrogel-Matrix durch das natürliche Biopolymer Gelatine ersetzt. Neben der Bruschit-bildenden Zement-Reaktion wurde das Polymernetzwerk sowohl durch eine physikalische Gelierung als auch eine chemische Vernetzung mit Genipin stabilisiert. Durch die zusätzliche organische Phase wurden die Eigenschaften des Zementes hinsichtlich Elastizität erhöht, wobei bei einer Gelatine-Konzentration von 10,0 Gew% eine erneute Kohäsion der Prüfkörper nach mechanischer Druckbelastung beobachtet werden konnte. Diese zerfielen nicht in einzelne Teile, sondern wurden trotz Auftreten von Rissen als weitestgehend intakte Quader zusammengehalten. Weiterhin wurde die Wirkstoff-Freisetzung zweier antibiotisch aktiver Substanzen (Vancomycin und Rifampicin) über einen Zeitraum von fünf Wochen untersucht. Mittels Bestimmung des Freisetzungsexponenten nach Korsmeyer-Peppas konnte eine verzögerte Wirkstoffliberation für das Antibiotikum Vancomycin gemäß Wurzel-t-Kinetik (Higuchi-Modell) mit n = 0,5 für ein Pulverflüssigkeitsverhältnis von 2,5 g/mL bei einer Gelatinekonzentration von 10,0 Gew% erhalten werden. Im Hinblick auf die Entwicklung verschiedener Formulierungen als dual härtende Systeme wurden in der vorliegenden Arbeit drei Varianten etabliert, die durch Polymerisation von Monomeren beziehungsweise Hydrogel-Präkursoren zu einer inkorporierten, homogenen Hydrogel-Matrix im Calciumphosphatnetzwerk führten. Bei allen Ansätzen wurde ein wesentlicher Transfer der mechanischen Eigenschaften in Richtung Flexibilität und Biegsamkeit erzielt.

Die Erstellung von komplex geformtem Knochenersatz wurde durch den 3D-Pulverdruck unter Verwendung von Calciumphosphatmaterialien beschrieben. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war deren Modifikation durch die Verwendung von Methacrylatkunststoffen. Ziel war es, durch die Infiltration von nicht resorbierbaren Kunststoffen, wie sie in kommerziell erhältlichen Knochenzementen verwendet werden, die mechanischen Eigenschaften der nicht gesinterten Keramikstrukturen zu verbessern. Getestet wurden verschiedene Methoden der Infiltration sowie der nachfolgenden Polymerisationsinitiierung durch chemische, thermische oder photochemische Aktivatoren. Daneben erfolgte der Druck von Tricalciumphosphat-Pulvern, die mit Polymethylmethacrylat Partikeln versetzt wurden und durch eine hydraulische Verfestigungsreaktion mit Phosphorsäure aushärten. Die erstellten Materialien wurden auf ihre Porosität, ihre mechanischen Eigenschaften sowie auf die Phasenzusammensetzung ihrer anorganischen Matrix und den Konversionsgrat ihrer organischen Komponente hin untersucht. Es gelang, die freie Porosität der Calciumphosphat-Matrix durch Verwendung von flüssigen, monomeren Kunststoffen zu füllen und diese durch eine thermische Initiierung der radikalischen Polymerisation vollständig zur Aushärtung zu bringen. Bei der Reaktion kommt es neben einer Polymerisationskontraktion im organischen Bestandteil der Kunststoffe zu einer Phasenumwandlung der Bruschitanteile der Calciumphosphat-Matrix. Proben, die mit einem flüssigen Bisphenol-A-Derivat versetzt wurden, zeigten eine Verdreifachung ihrer Festigkeit und erreichten maximale Druckfestigkeiten von 99 MPa, Biegefestigkeiten von 35 MPa und einen E-Modul von 18 GPa. Verglichen mit den biomechanischen Eigenschaften des physiologischen Hartgewebes liegen die Werte damit deutlich über denen von spongiösem und unter denen von kortikalem Knochen. Eine künftige Optimierung erscheint durch die Schaffung einer chemischen Verbundphase zwischen dem anorganischen Calciumphosphat-Gefüge und den Polymerbestandteilen als aussichtsreich. / The production of complex shaped bone graft was described by the 3D powder printing using calcium phosphate materials. The present work dealt with the modification of these materials by adding methylacrylate materials. The objective was to improve the mechanical properties of non-sintered ceramic structures by the infiltration of non-resorbable plastics such as used in commercialized bone cements. Different methods of infiltration as well as chemical, thermal or photochemical polymerization activators have been tested. In addition to that, tricalcium phosphate powders have been enriched by polymethylmethacrylate particles before being printed and cured by an hydraulic hardening reaction with phosphoric acid. The prepared materials have been tested for their porosity, their mechanical properties as well as for the phase composition of their inorganic matrix and the conversion rate of their organic components. It could be achieved to fill the open porosity of printed calcium phosphate matrix by using liquid, monomeric plastics and to cure them completely through a thermal initiation of radical polymerization. Besides the polymerization contraction in the organic component, the thermal treatment led to a phase transformation of the calcium phosphate brushite matrix. Samples, which were infiltrated with a liquid bisphenol-A derivative, showed a threefold increase of their strength and reached a maximum compressive strength of 99 MPa, a flexural strength of 35 MPa and a Young´s modulus of 18 GPa. Compared to biomechanical properties of physiological hard tissues, the levels were significantly higher than those of cancellous and lower than those of cortical bones. To further optimize, it seems promising to create a chemical bond between the inorganic phase of calcium phosphate microstructure and polymer components.

Die Arbeit behandelt die physikalische Charakterisierung der Herstellung einer Tetracalciumphosphat (TTCP) / Calciumhydrogenphosphat (DCPA) Pulvermischung zur Anwendung als Knochenzement. Ziel war die Gewinnung einer Korrelation von Prozessparametern mit anwendungsrelevanten Zementeigenschaften, also hohe mechanische Festigkeit, definierte Abbindezeit, physiologischer pH-Wert-Verlauf und Reproduzierbarkeit. Die Einstellung eines physiologischen pH-Werts im Bereich 7-8 der Zementpaste erfordert eine geeignete Lösungsrate beider Pulverkomponenten. Dies gelingt durch Mahlung mit einer Einstellung der mittleren Partikelgröße von 10-20 µm (TTCP) und 0,5-2 µm (DCPA). DCPA wird nass gemahlen; das Suspensionsmedium dient der Agglomerationsverminderung, da bei Partikelgrößen von 0,5-2 µm interpartikuläre Kräfte gegenüber der Gewichtskraft dominieren. TTCP wurde durch Sinterung von DCPA und Calciumcarbonat bei 1500°C hergestellt und trocken vermahlen. Die Ermittlung der mittleren Partikelgrößen und relativen Breite der Partikelgrößenverteilungen, der sogenannten Spanne, nach Mahlung erfolgte durch Laserstreuung und Auswertung der Streumuster nach der Mie-Theorie. Mahlungen von TTCP führen zu Feinkornanteilen mit Partikelgrößen < 1 µm, die eine gleichmäßige Lösungsrate zu Beginn der Abbindereaktion verhindern. Durch Variation der Mahlparameter kann dieser Feinkornanteil minimiert werden. Dennoch besteht die Notwendigkeit, Abbinde-Beschleuniger auf Natriumphosphat (NaP)-Basis zu verwenden, um die erhöhte Lösungsrate der TTCP-Komponente zu kompensieren. Kriterium für die Auswahl des geeigneten Suspensionsmediums für die Nassmahlung von DCPA ist das Zetapotential von DCPA-Partikeln in flüssiger Phase, welches durch Laser-Doppler-Elektrophorese gemessen wird. Die Messungen zeigen, dass sich das Zetapotential mit Partikelgröße und Spanne korrelieren lässt. Hohe Zetapotential-Werte zu Beginn der Mahlung führen zu kleiner Endpartikelgröße. Das Zetapotential von gemahlenen DCPA-Pulvern steigt bei der Mahlung an und bestimmt die minimale Spanne. Partikelgröße und Spanne bestimmen über die effektive Viskosität außerdem das Ende des Mahlvorgangs. Als Suspensionsmedium zur Einstellung kleiner Partikelgröße bei gleichzeitig geringer Spanne eignet sich Reinstwasser, gefolgt von Ethylenglykol und Ethanol. Es lassen sich mittlere Partikelgrößen von 0,6 µm bei einer Spanne von 1,0 realisieren. Die Mahlung setzt neben der Partikelgröße die Kristallinität von DCPA und TTCP herab, durch eine mechanisch induzierte Phasenumwandlung in den amorphen Zustand. Röntgendiffraktometrische Untersuchungen, XRD, der Pulver zeigen eine Abnahme der Intensität der Beugungsreflexe um ca. 50% für TTCP und ca. 30% für DCPA nach 24h. Die Auswertung der Beugungsspektren durch Rietveld-Analyse ergibt gleichzeitig eine kontinuierliche Abnahme der mittleren Kristallitgröße. Die Bildung amorpher Anteile resultiert für TTCP in abbindefähigen, einkomponentigen Zementen, die im stark basischen Bereich mit 2.5%iger Na2HPO4-Lösung Hydroxylapatit und Calciumhydroxid bilden. Hochkristallines TTCP ist dagegen nicht reaktiv, bedingt durch die Ausbildung einer Hydroxylapatitschicht um die Partikel. Suspensionsmedium und Luftfeuchtigkeit bewirken eine Kontamination der feinkörnigen Pulver. Stickstoffadsorptions-Messungen, BET, zeigen die Lokalisation des Kontaminats auf der kompakten, nicht porösen Partikeloberfläche. Der Anteil an nicht entfernbarem Suspensionsmedium, bestimmt durch Thermogravimetrie, liegt bei 3-5% nach Trocknung an Luft und lässt sich auf < 1% bei Vakuumtrocknung reduzieren. Während organische wasserlösliche Kontaminationen keinen Einfluss auf die Lösungsrate und Reaktivität von DCPA ergeben, führt Wasser als Suspensionsmedium bzw. das Einwirken von Luftfeuchtigkeit auf die getrockneten Pulver zu einer starken Herabsetzung der Reaktivität. Ursache ist die Ausbildung einer diffusionshemmenden Hydroxylapatit-Schicht um die Partikel durch Hydrolyse der Calciumphosphate. DCPA, durch Mahlung in Wasser inaktivierend kontaminiert, zeigt die niedrigste Lösungsrate, trotz großer spezifischer Oberfläche. Die Mischung der Pulver erfolgt durch Selbstmischung bei geringer mechanischer Krafteinleitung; die hochdispersen DCPA-Partikel agglomerieren aufgrund interpartikulärer van-der-Waals-Kräfte an den großen TTCP-Partikeln. Ausgehärtete Zemente zeigen eine Korrelation zwischen der Druckfestigkeit und der Partikelgröße, sowie eine Korrelation von Zugfestigkeit und Spanne der Partikelgrößenverteilung von DCPA. Ein erhöhter Feinkornanteil des TTCP-Pulvers führt zur Reduktion der mechanischen Festigkeit. Die vorgestellte physikalische Charakterisierung der TTCP/DCPA- Pulverherstellung führt zu einem Medizinprodukt mit Druckfestigkeiten von 75 MPa und Zugfestigkeiten von 12 MPa. Abbindezeit und pH-Wert-Verlauf bei der Aushärtung lassen sich durch die Konzentration von NaP-Abbindebeschleunigern einstellen. / This thesis is about the physical characterisation of the fabrication process of a Tetracalciumphophate (TTCP) / Calciumhydrogenphosphate (DCPA) bone cement powder mixture. The goal was to achieve a correlation between processing parameters and application relevant properties of the cement matrix, i.e. high mechanical strength, defined setting time, physiological pH-value and reproducibility. For the adjustment of a physiological pH-value between 7 and 8 of the cement paste it is necessary to adjust the solubility rate of both powder components. This is done by adjusting the medium particle size of TTCP and DCPA to 10-20 µm respectively 0,5-2 µm. DCPA is wet milled; the suspension medium has to prevent agglomeration, because at particle sizes between 0,5-2 µm attractive interparticular forces dominate over the deagglomerating weight of the powder particles. TTCP is fabricated by sintering a DCPA / Calciumcarbonate mixture at 1500°C and dry milling it. The measurement of medium particle size and the relative width of the particle size distribution, the so called span, after milling were done by laser diffraction and calculation following Mie-theory. The milling of TTCP leads to a fine powder fraction with particle sizes below 1 µm, which prevents a uniform solubility rate at the beginning of the setting reaction. This fine powder fraction can be minimized by variation of the milling parameters. Nonetheless it is necessary to use sodium phosphate setting-accelerators to equalise the higher solubility rate of the TTCP-cements component. Criteria for choosing the suspension medium for the wet milling of DCPA is the zeta potential of DCPA particles in liquid phase, measured by Laser Doppler Electrophoresis (LDE). The measurements indicate that the zeta potential is correlated with particle size and span. A high zeta potential value at the start of the milling process leads to a small final particle size. The zeta potential of milled DCPA rises with the milling process and defines the minimum span. Particle size and span determine the effective viscosity and therefore the end of the milling process. For achieving a small particle size together with a small span distilled water is most suitable, followed by ethylene glycol and ethyl alcohol. A medium particle size of 0,6 µm together with a span of 1,0 can be realised. The milling process is also reducing the cristallinity of DCPA and TTCP by a mechanically induced phase change to the amorphous state. X-Ray diffraction measurements of the powders after 24h of milling show an intensity decrease of the diffraction patterns by almost 50% for TTCP and almost 30% for DCPA. The analyses of the diffraction patterns by Rietveld-analysis show a continuous decrease of the medium crystallite size at the same time. The formation of amorphous TTCP fractions results in a one component cement able to set in a high pH-regime. High cristallinity TTCP is not reactive due to the hydroxyapatite layer on the particle surface. The suspension medium and humidity are causing a contamination of the powder particles. Nitrogenadsorption measurements, BET, are showing that the contaminant is located on the compact non-porous particle surface. The fraction of not extractable suspension medium, determined by thermogravimetry, is in the region of 3-5% after drying in air and can be reduced to less than 1% by drying in vacuum. Organic watersoluble contamination does not lead to changes in solubility rate or reactivity of DCPA particles. Water as suspension medium or humidity reduces the reactivity significantly. The reason is a hydroxyapatite layer on the DCPA particles caused by hydrolysis of the calciumphosphate leading to decreased diffusion. Water milled DCPA is showing the lowest solubility rate despite having the highest specific surface area. The two powder components are literally self mixing. The disperse DCPA particles are agglomerating on the surface of the larger TTCP particles due to attractive van-der-Waals-forces. The hardened cement matrix is showing a correlation between compressive strength and particle size and between diametral tensile strength and the span of the particle size distribution. An increase of the fine powder fraction of TTCP leads to a decrease in mechanical strength. The physical characterisation of the fabrication process of a TTCP/DCPA-cement powder mixture leads to a medical device with a compressive strength of 75 MPa and a diametral tensile strength of 12 MPa. Setting time and pH-value can be adjusted by the amount of sodium phosphate setting-accelerator.

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.