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.

Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität mineralischer Knochenzemente aus Calciumorthophosphaten (CPC) wurde in einem TTCP/DCPA-System das Zementedukt TTCP mit verschiedenen biokompatiblen Oxiden (SiO2, TiO2, ZrO2) während des Herstellungsprozesses dotiert. Dies führte zur Bildung von Calciummetallaten und einer Herabsetzung der Löslichkeit der TTCP-Komponente des Zements. Gegenüber einem oxidfreien Zement konnte die Druckfestigkeit von 65 MPa auf 80 MPa (SiO2) bzw. 100 MPa (TiO2) gesteigert werden. In einem zweiten Ansatz zur Verbesserung der Injizierbarkeit wurden die Wechselwirkungen der Partikeloberflächen mit der flüssigen Zementphase betrachtet. Durch biokompatible Additive sollte eine repulsive elektrostatische Wechselwirkung eingestellt werden, um Partikelagglomerate effektiv zu dispergieren und eine verflüssigende Wirkung zu erreichen. Die Injizierbarkeit eines TTCP/DCPA-Zements durch eine Kanüle mit 800 µm Durchmesser konnte durch die Verwendung von 500 mM tri-Natriumzitrat-Lösung aufgrund einer deutlichen Herabsetzung der Viskosität der Zementpaste signifikant gesteigert werden (>95%, P/L 3,3/1, Kraftaufwand 20 N). Abschließend wurde der Einfluss der Partikelgrößenverteilung auf die Festigkeit und Injizierbarkeit einer auf monomodaler Partikelgrößenverteilung basierten Zementmatrix untersucht. Hierzu wurden einem mechanisch aktivierten a-TCP-System unreaktive, feinkörnige Füllstoffpopulationen (TiO2, CaHPO4, CaCO3) zugesetzt und systematisch deren Effekt in Verbindung mit einer Partikelaufladung durch tri-Natriumzitrat auf die rheologischen und mechanischen Eigenschaften untersucht. Erst die Kombination einer bimodalen Partikelgrößenverteilung mit tri-Natriumzitrat-Lösung führte zu einer starken Erniedrigung der Viskosität, damit zur nahezu vollständigen Injizierbarkeit der Zemente und einer teilweise signifikanten Steigerung der mechanischen Festigkeiten (z.B. 72 MPa reiner a-TCP-Zement auf 142 MPa mit Zusatz von CaHPO4). / An improvement of the mechanical strength of calcium phosphate bone cements in combination with a lower cement paste viscosity for better injectability was investigated. A first approach to improve the mechanical stability consisted in adding several biocompatible oxides (SiO2, TiO2, ZrO2) during the fabrication process of tetracalcium phosphate (TTCP). The formation of calcium metallates led to a decrease of the solubility of the oxide doped tetracalcium phosphates. The cements based on tetracalcium phosphates mixed with SiO2 and TiO2 exhibit a significant increase of the compressive strengths (65 MPa of pure cement up to 80 MPa (SiO2) and 100 MPa (TiO2)). A second approach to decrease the viscosity of CPC pastes considered the interactions between the particle surfaces and the liquid cement phase. To disperse agglomerates and improve the injection properties of CPC, biocompatible components were added to the liquid phase. As a result the injection properties of the TTCP/DCPA cement improved significantly. The use of 500 mM trisodium citrate solution as liquid phase changed the viscosity of the cement paste to a point, where complete injectability (> 95%) through an 800 mm diameter hypodermic needle could be achieved at low loads (20 N). In order to transfer the results of a multi-constituent cement to a single reactive component cement, different fine-particle-sized fillers were added to mechanically activated, monomodal α-tricalcium phosphate (α-TCP) cement. The inert fillers dicalcium phosphate anhydrous (DCPA), titanium dioxide (TiO2) and calcium carbonate (CC) were added to the α-TCP-matrix in different concentrations. For an effective ionic modification a 500 mM trisodium citrate solution was used as liquid phase as in the aforementioned TTCP/DCPA cement system. Only the combination of a bimodal particle size distribution and trisodium citrate solution led to a nearly complete injectability and a significantly increase of the mechanical stability of CPC.

Heutige chirurgische Situationen können zeitweise den Einsatz eines Knochenkleber erfordern, welcher sich jedoch noch nicht in der klinischen Praxis etablieren konnte. In jüngster Vergangenheit haben mit Phosphoserin modifizierte Zemente (PMC) auf der Grundlage von Verbindungen zwischen o-Phosphoserin (OPLS) und Calciumphosphaten wie Tetracalciumphosphat (TTCP) oder α-Tricalciumphosphat (α-TCP) an Popularität gewonnen. Ebenso bekommen chelatbildende Magnesiumphosphatzemente als mineralische Knochenadhäsive mehr Zuspruch. In dieser Arbeit wurden neue mineralorganische Knochenzemente auf der Basis von Phosphoserin und Magnesiumphosphaten oder -oxiden untersucht, die hervorragende Hafteigenschaften besitzen. Diese wurden mittels Röntgenbeugung, Fourier-Infrarot-Spektroskopie und Elektronenmikroskopie analysiert und mechanischen Tests unterzogen, um die Haftfestigkeit am Knochen nach Alterung unter physiologischen Bedingungen zu bestimmen. Die neuartigen biomineralischen Klebstoffe zeigen eine ausgezeichnete Haftfestigkeit an Knochen mit etwa 6,6-7,3 MPa unter Scherbelastung. Die Adhäsive sind auch aufgrund ihres kohäsiven Versagensmusters und ihres duktilen Charakters vielversprechend. In diesem Zusammenhang sind die neuen adhäsiven Zemente den derzeit vorherrschenden Knochenadhäsiven überlegen. Ergänzend wurde versucht, dieses neue System mit unterschiedlichen Additiven zu modifizieren. Dabei wurde Mannit erfolgreich als Porogen verwendet. Dreiarmiges sternförmiges NCO-sP(EO-stat-PO) sollte die adhäsiven Eigenschaften und das Leistungspotenzial unter Wasser verbessern. Zuletzt wurden mit Glycerol präfabrizierte Pasten hergestellt, welche gelagert werden können und bei Kontakt mit Wasser aushärten. Generell ist zu betonen, dass künftige Bemühungen um Knochenklebstoffe aus Phosphoserin und Mg2+ sehr lohnenswert erscheinen. / Present surgical situations require a bone adhesive which has not yet been developed for use in clinical applications. Recently, phosphoserine modified cements (PMC) based on mixtures of o-phosphoserine (OPLS) and calcium phosphates, such as tetracalcium phosphate (TTCP) or α-tricalcium phosphate (α-TCP) as well as chelate setting magnesium phosphate cements have gained increasing popularity for their use as mineral bone adhesives. Here, we investigated new mineral-organic bone cements based on phosphoserine and magnesium phosphates or oxides, which possess excellent adhesive properties. These were analyzed by X-ray diffraction, Fourier infrared spectroscopy and electron microscopy and subjected to mechanical tests to determine the bond strength to bone after ageing at physiological conditions. The novel biomineral adhesives demonstrate excellent bond strength to bone with approximately 6.6–7.3 MPa under shear load. The adhesives are also promising due to their cohesive failure pattern and ductile character. In this context, the new adhesive cements are superior to currently prevailing bone adhesives. In addition, an attempt was made to modify this new system with different additives. Mannite was successfully used as a porogen. Three-armed star-shaped NCO-sP(EO-stat-PO) should improve the adhesive properties and performance potential under water. Last glycerol-prefabricated pastes were prepared, which could be stored and cure upon contact with water. In general, it should be emphasized that future efforts on bone adhesives from phosphoserine and Mg2+ seem very worthwhile.

Für die Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe gibt es heute eine Reihe von Therapiemöglichkeiten. Neuartige Ansätze mit Magnesiumphosphat- (MPC) und Calciummagnesiumphosphatzementen (CMPC) haben sich als echte Alternativen zu den etablierten Calciumphosphaten erwiesen. Ziel war es, die Osteoklastogenese in vitro auf 3D-pulvergedrucktem CMPC und MPC zu induzieren und die zelluläre Resorption (zR) zu analysieren. Polystyrol (PS), Glas, β-TCP und Brushit-bildender Zement dienten als Referenzen. Als Proben wurden Zemente der allgemeinen stöchiometrischen Summenformel CaxMg(3–x)(PO4)2 (x = 0; 0,25; 0,75; 3) verwendet, die Struvit oder Newberyit enthielten. Für die Osteoklastogenese wurden monozytenangereicherte PBMCs aus Buffy-Coat mittels dreifacher Dichtegradientenzentrifugation isoliert, auf die Prüfoberflächen ausgesät und über einen Zeitraum von 22 Tagen mit Zytokinen (M-CSF und RANKL) stimuliert. Die Interaktion der Zellen mit den Zementen bzw. PS/Glas wurde mittels TRAP-Färbung und -Aktivität, DNA- und Ionenkonzentrationen (Ca2+, Mg2+, PO43–, pH-Wert), Rasterelektronen-, Durchlicht-, Auflicht- und Fluoreszenzmikroskopie analysiert. Auf den Struvit- und Newberyit-bildenden Zementen konnten keine für Osteoklasten typischen Riesenzellen nachgewiesen werden. Auf den Struvit-bildenden Zementen wurde deutlich mehr mononukleäre Zellen nachgewiesen wurden als auf den Newberyit-bildenden Zementen. Während die Freisetzung von Mg2+ und PO43– ausschließlich durch die chemische Degradation erfolgte, wurde Ca2+ zunächst adsorbiert und anschließend durch zR freigesetzt. Die erhöhte Ca2+-Adsorption im Vergleich zur Ca2+-Resorption führte insgesamt zu einer Calcium-Präzipitation. Da lediglich auf β-TCP Resorptionslakunen beobachtet wurden, wird angenommen, dass auf den CMPC, MPC und Brushite-bildenden Zementen die zellvermittelte Ca2+-Freisetzung von den Präzipitaten ausging, die von Makrophagen auf den Zementen und/oder Riesenzellen auf den Wellplatten resorbiert wurden. / There are a number of therapeutic options available today for the treatment of critical size bone defects. Novel approaches using magnesium phosphate (MPC) and calcium magnesium phosphate cements (CMPC) have proven to be real alternatives to the established calcium phosphates. The aim was to induce osteoclastogenesis in vitro on 3D powder-printed CMPC and MPC and to analyse cellular resorption (zR). Polystyrene (PS), glass, β-TCP and brushite-forming cement served as references. Cements of the general stoichiometric molecular formula CaxMg(3-x)(PO4)2 (x = 0; 0.25; 0.75; 3) containing struvite or newberyite were used as samples. For osteoclastogenesis, monocyte-enriched PBMCs were isolated from buffy coat by triple density gradient centrifugation, seeded onto the test surfaces and stimulated with cytokines (M-CSF and RANKL) over a period of 22 days. The interaction of the cells with the cements or PS/glass was analysed by TRAP staining and activity, DNA and ion concentrations (Ca2+, Mg2+, PO43-, pH), SEM, transmitted light, reflected light and fluorescence microscopy. No giant cells typical of osteoclasts could be detected on the struvite- and newberyite-forming cements. On the struvite-forming cements, significantly more mononuclear cells were detected than on the newberyite-forming cements. While the release of Mg2+ and PO43- was exclusively by chemical degradation, Ca2+ was first adsorbed and then released by zR. The increased Ca2+ adsorption compared to Ca2+ resorption led to calcium precipitation overall. Since resorption lacunae were only observed on β-TCP, it is assumed that on the CMPC, MPC and Brushite-forming cements, the cell-mediated Ca2+ release originated from the precipitates resorbed by macrophages on the cements and/or giant cells on the well plates.

Das Hauptproblem des künstlichen Gelenkersatzes stellt die aseptische Prothesenlockerung dar. Hierbei handelt es sich um ein multifaktoriell bedingtes Geschehen, das auf ein gestörtes Zusammenspiel von biologischen und mechanischen Faktoren zurückzuführen ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden fünf modifizierte, bioaktivierte Knochenzemente bezüglich ihrer Verbundfestigkeit mit Edelstahl und ihrer Hydrolysestabilität untersucht. Ein gemeinsamer Bestandteil aller fünf Modifikationen stellt Hydroxyethylmethacrylat-Phosphat dar. Die Verbundfestigkeit der Zemente wurde anhand unterschiedlicher Anwendungs- bzw Metallvorbehandlungsvoraussetzungen im axialen Zugtest vor und nach künstlicher Alterung ermittelt. Unabhängig von der Vorbehandlung bzw. Anwendungsmodifikation zeigte der ausschließlich mit HEMA-P modifizierte Zement und der Referenzzement annähernd gleiche Zugfestigkeitswerte während die Zementmodifikation mit HEMA-P und zusätzlich Natriumcarbonat und Calciumchlorid deutlich niedrigere Zugfestigkeiten erreichte. Diese Modifikation konnte zudem, bis auf die Testreihe mit erfolgter Silikatisierung und silanisiertem Monomer, dem künstlichen Alterungsprozess nicht standhalten, was die Hydrolysestabilität dieser Modifikation in Frage stellt. Die höchsten Zugfestigkeitswerte nach dem Alterungsprozess konnten, unabhängig von der Zementmodifikation, bei der Testreihe mit erfolgter Silikatisierung und einem mit Silanhaftvermittler angereicherten Monomer festgestellt werden. Die Zemente wurden auf ihre Druckfestigkeit und im vereinfachten dynamischen Hüftprüfstandversuch im flüssigen Milieu getestet. Die Tatsache, dass sich bei allen Zementmodifikationen relativ wenig Spalten am Zement-Metall-Interface nachweisen ließen, spricht für eine gesteigerte Hydrolysebeständigkeit unter dynamischer Belastung. Die ermittelten Druckfestigkeiten liegen im Bereich von 83,85 MPa für PM 10, 89,66 MPa für PM 11 und 82 MPa für SPM 10 was den Anforderungen an Knochenzemente gerecht wird. Diese sollten gemäß ISO 5833 eine Druckfestigkeit von über 70 MPa aufweisen. Um eine detaillierte Aussage über die mechanischen Eigenschaften dieser Zementmodifikationen treffen zu können bedarf es weiterer Materialprüfungen / The main problem in artificial joint replacement is the aseptic prosthesis loosening. The causes are multifactorially conditioned since both biological and mechanical factors are playing a major role. To generate bioactive PMMA surfaces directly at the site of implantation an amphiphilic molecule phosphorylated 2‐hydroxyethylmethacrylate (HEMA‐P) had already been added to commercial bone cements.One bone cement modification had also been enriched with calcium and carbonate salts. The first part of this study was to compare two modified bio‐activated bone cements concerning their tensile strength and their hydrolytic stability to standard commercial bone cement. The Bone Cements were tested regarding different usage and pre‐treatment of the metal used before and after 15 days of storage at 70 degrees Celsius in PBS. Only the bone cement modified with HEMA‐P reached about the same results as the common bone cement. Whereas the modification with additional calcium and carbonate salts showed not only a significantly lower tensile strength but also hydrolytic instability compared to the common bone cement. The best results after the artificial aging process could be proven after silicate coating of the metal and the enrichment of the monomer with a silane coupling agent. The second part of the study was designed to proof that modified bone cements meet the common ISO standards regarding their compressive and fatigue strengths and their hydrolytic stability. All the modified samples met the common ISO standard figures for compressive strength of more than 70 MPa. Furthermore the fact that all modifications have shown little signs of fatigue and minor cracks at the cement‐metal interface in testing indicates the conclusion that the hydrolytic stability is given. However, to describe the entire range of mechanical characteristics, more experiments would have to be carried out.

Synthetische anorganische Knochenersatzmaterialien auf Calcium-Phosphat- und Magnesium-Phosphat-Basis wurden in der hier vorliegenden Dissertation mit verschiedenen handelsüblichen Antibiotika versetzt und deren Freisetzungsverhalten charakterisiert. Zudem wurde der Einfluss des Antibiotikazusatzes auf bestimmte materialcharakteristische Eigenschaften untersucht, hierbei fanden die Quecksilberporosimetrie, die Röntgendiffraktometrie und die Rasterelektronenmikroskopie ihre Anwendung. Insbesondere für die Knochenersatzmaterialien auf Calcium-Phosphat-Basis sollte eine klinisch praktikable und demnach möglichst einfache Methode etabliert werden, um die Kombination mit einem Antibiotikum durchzuführen. Die Detektion der Antibiotika erfolgte mit Hilfe eines UV/VIS-Spektrophotometers. Zudem wurde für einige ausgewählte Kombinationen aus Antibiotikum und Knochenersatzmaterial durch einen Agardiffusionstest die antibakterielle Wirkung nach der Freisetzung aus dem jeweiligen Trägermaterial bestätigt. / Synthetic inorganic bone substitute materials based on calcium phosphate and magnesium phosphate were mixed with various commercially available antibiotics and their release behavior was characterized in the present dissertation. In addition, the influence of the antibiotic addition on certain material characteristic properties was investigated using mercury porosimetry, X-ray diffractometry and scanning electron microscopy. For the calcium-phosphate-based bone substitutes in particular, the aim was to establish a clinically practicable and therefore as simple as possible method for carrying out the combination with an antibiotic. Antibiotics were detected using a UV/VIS spectrophotometer. In addition, for some selected combinations of antibiotic and bone substitute material, an agar diffusion test was used to confirm the antibacterial effect after release from the respective carrier material.

Calcium phosphate cements (CPC) represent valuable synthetic bone grafts, as they are self-setting, biocompatible, osteoconductive and in their composition similar to the inorganic phase of human bone. Due to their long shelf-life, neutral setting and since water is sufficient for setting, hydroxyapatite (HA) forming cements are processed in different paste formulations. Those comprise dual setting, Ca2+ binding and premixed cement systems. With dual setting formulations, both dissolution and precipitation of the cement raw powder occur simultaneously to the polymerization of water-soluble monomers to form a hydrogel. Chelating agents are able to form complexes with Ca2+ released from the raw powder. Premixed systems mostly contain the raw powder of the cement and a non-aqueous binder liquid which delays the setting reaction until application in the moist physiological environment. In the present work, two of those reaction mechanisms allowed the development of HA based cement applications. Drillable cements are of high clinical interest, as the quality of screw and plate osteosynthesis techniques can be improved by cement augmentation. A drillable, dual setting composite from HA and a poly(2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogel was analyzed with respect to the influence of monomer content and powder-to-liquid ratio on setting kinetics and mechanical outcome. While the conversion to HA and crystal growth were constantly confined with increased monomer amount, a minimum concentration of 50 % was required to see impressive ameliorations including a low bending modulus and high fracture energy at improved bending strength. Increasing the liquid amount enabled injection of the paste as well as drilling after 10 min of pre-setting. While classic bone wax formulations have drawbacks such as infection, inflammation, hindered osteogenesis and a lack of biodegradability, the as-presented premixed formulation is believed to exhibit outmatching properties. It consisted of HA raw powders and a non-aqueous, but water-miscible carrier liquid from poly(ethylene glycol) (PEG). The bone wax was proved to be cohesive and malleable, it withstood blood pressure conditions and among deposition in an aqueous environment, PEG was exchanged such that porous, nanocrystalline HA was formed. Incorporation of a model antibiotic proved the suitability of the novel bone wax formulation for drug release purposes. Prefabricated laminates from premixed carbonated apatite forming cement and poly(ε-caprolactone) fiber mats with defined pore architecture were presented as a potential approach for the treatment of 2-dimensional, curved cranial defects. They are flexible until application and were produced in a layer-by-layer approach from both components such that the polymer scaffold prevents the cement from flowing. It was demonstrated that solution electrospinning with a patterned collector for the fabrication of perforated fiber mats was suitable, as high fiber volume contents in combination with an appropriate interface enabled the successful fabrication of mechanically reinforced laminates. Mild immersion of the scaffolds under alkaline conditions additionally improved the interphase followed by an increase in bending-strength. Since few years, magnesium phosphate cements (MPC) have attracted increasing attention for bone replacement. Compared to CPC, MPC exhibit a higher degradation potential and high early strength and they release biologically valuable Mg2+. However, common systems offer some challenges while using them in non-classic cement formulations such as the need for foreign ion supply, the potential acidity of the reaction or the fast setting kinetics. Here, it was possible to develop a chelate-setting MPC paste with a broad spectrum of potential applications. The general mechanism of the novel setting principle was tested in a proof-of-principle manner. The cement paste consisted of farringtonite with differently concentrated phytic acid solution for chelate formation with Mg2+ from the raw powder. Adjusting the phytic acid content and adding a magnesium oxide as setting regulator to compensate its retarding effect resulted in drillable formulations. Additionally, there is a strong clinical demand for well working bone adhesives especially in a moist environment. Mostly the existing formulations are non-biodegradable. Ex vivo adhesion of the above presented MPC under wet conditions on bone demonstrated over a course of 7 d shear strengths of 0.8 MPa. Further, the hardened cement specimens showed a mass loss of 2 wt.% within 24 d in an aqueous environment and released about 0.17 mg/g of osteogenic Mg2+ per day. Together with the demonstrated cytocompatibility towards human fetal osteoblasts, this cement system showed promising characteristics in terms of degradable biocements with special application purposes. / Calciumphosphatzemente (CPC) stellen ein bedeutsames Knochenersatzmaterial dar, da sie selbstabbindend, biokompatibel, osteokonduktiv und der anorganischen Komponente humanen Knochens ähnlich sind. Durch ihre Lagerstabilität, neutrale Abbindereaktion und da Wasser zum Abbinden ausreicht, werden Hydroxylapatit (HA) bildende Zemente in dual abbindenden, Ca2+ chelatisierenden und vorgefertigten Zementen, verarbeitet. Bei dual abbindenden Formulierungen findet die Lösungs-Fällungs-Reaktion zeitgleich zur Polymerisation wasserlöslicher Monomere zu einem Hydrogel statt. Chelatbildner können mit aus dem Rohpulver freigesetzten Ca2+ Komplexe bilden. Vorgefertigte Zemente enthalten eine nicht-wässrige Trägerflüssigkeit, welche die Abbindereaktion bis zur Anwendung des Zements im feuchten Milieu verzögert. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei dieser Reaktionsmechanismen zur Entwicklung HA basierter Anwendungsformen eingesetzt. Bohrbare Zemente sind von klinischem Interesse, da die Qualität einer Schrauben- oder Plattenosteosynthese durch Augmentation mit Zement verbessert werden kann. Bei einem bohrbaren, dual abbindenden Komposit aus HA und einem Poly-2-Hydroxyethylmethacrylat Hydrogel wurde der Einfluss des Monomergehalts und des Pulver-zu-Flüssigkeits-Verhältnisses auf die Abbindekinetik und mechanischen Eigenschaften untersucht. Während die Umwandlung zu HA und das Kristallwachstum mit zunehmendem Monomergehalt reduziert wurden, war eine minimale Konzentration von 50 % nötig, um signifikante Verbesserungen des Bruchverhaltens im Sinne eines niedrigen Biegemoduls und einer hohen Bruchenergie bei gesteigerter Biegefestigkeit nachzuweisen. Wurde der Flüssigkeitsgehalt erhöht, so konnte die Paste injiziert und nach 10 min des Abbindens gebohrt werden. Während klassische Knochenwachsformulierungen Infektionen, Entzündungen, gehinderte Knochenneubildung und mangelhafte Bioabbaubarkeit vorweisen, zeigt die hier dargestellte Formulierung überlegene Eigenschaften. Sie bestand aus HA-Rohpulvern und einer nicht-wässrigen, mit Wasser mischbaren Trägermasse aus Polyethylenglycol (PEG). Es wurde gezeigt, dass das Wachs kohäsiv und knetbar ist und Blutdruckbedingungen standhält. Bei Kontakt mit einer wässrigen Phase wurde das PEG diffusiv mit Wasser ausgetauscht, so dass ein poröser, nanokristalliner HA präzipitierte. Die Einbettung eines Modell-Antibiotikums bestätigte zudem die Eignung des neuartigen Wachses als Wirkstoffdepot. Als eine mögliche Behandlung von 2-dimensionalen, gekrümmten Defekten der Schädeldecke wurden präfabrizierte Laminate aus lagerstabiler, Carbonatapatit bildender Zementpaste und Polycaprolakton-Fasermatten mit definierter Porenarchitektur vorgestellt. Diese sind bis zu ihrer Anwendung flexibel und wurden durch einen schichtweisen Aufbau aus beiden Komponenten erzeugt, so dass der Polymerscaffold den Zement am Zerfließen hindert. Es wurde gezeigt, dass die Herstellung makroporöser Fasermatten durch Elektrospinnen aus der Lösung mittels eines perforierten Kollektors geeignet war, da der hohe Faservolumengehalt und angemessene Grenzflächeneigenschaften die erfolgreiche Herstellung mechanisch verstärkter Laminate ermöglichte. Bei milder Behandlung der Scaffolds mit alkalischer Lösung wurden die Grenzflächeneigenschaften weiter verbessert, was zu einer Steigerung der Biegefestigkeit führte. Seit einigen Jahren geht der Trend der Knochenzementforschung immer stärker in Richtung von Magnesiumphosphatzementen (MPC), da diese verglichen mit CPC ein erhöhtes Degradationspotential, eine hohe initiale Festigkeit, sowie die Freisetzung biologisch wertvoller Mg2+ aufweisen. Jedoch stellen gängige Systeme hohe Anforderungen bei der Verwendung in nicht-klassischen Zementen wie z.B. der Bedarf an Fremdionen und die saure sowie schnelle Abbindereaktion. Dennoch war es möglich, einen chelatisierenden MPC zu entwickeln, welcher ein breites Spektrum an möglichen Anwendungsformen bot. In einer Machbarkeitsstudie wurde untersucht, ob das Abbindeprinzip funktioniert. Die Paste bestand aus Farringtonit und unterschiedlich konzentrierter Phytinsäure. Diese sollte mit freigesetzten Mg2+ komplexieren. Durch Anpassung der Phytinsäurekonzentration und Zugabe von Magnesiumoxid als Abbindemodulator wurden bohrbare Formulierungen erhalten. Neben der Bohrbarkeit sind auch adhäsive Eigenschaften der Zemente im feuchten Milieu von klinischem Interesse, wobei kommerziell erhältliche Systeme meist nicht bioabbaubar sind. Daher wurde die ex vivo Klebehaftung dieses MPC nach 7 d unter nassen Bedingungen auf Knochen analysiert, wobei sich eine Abscherfestigkeit von 0.8 MPa ergab. Des Weiteren zeigten diese Zemente einen Masseverlust von 2 Gew.% innerhalb von 24 d in wässriger Umgebung, sowie die Freisetzung von 0.17 mg/g an osteogenen Mg2+ pro Tag. Zusammen mit der bestätigten Zytokompatibilität bezüglich humaner fetaler Osteoblasten ist dieses System vielversprechend für die Anwendung als abbaubarer Biozement für unterschiedliche klinische Zwecke.

Der steigende Bedarf an Knochenersatzmaterialien (KEM) in Medizin und Zahnmedizin verdeutlicht die Notwendigkeit der Etablierung weiterer alloplastischer, also synthetisch hergestellter, KEMs. Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung patientenspezifischer Implantate. Hierfür wird auf Basis von 3D Bildgebung eines Knochendefekts, ein Implantat mittels CAD geplant und anschließend mittels additiver Fertigung, zum Beispiel durch 3D Pulverdruck hergestellt. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des osteogenen Potentials in vitro von Calciummagnesiumphosphatkeramiken mit der allgemeinen Strukturformel CaxMg(3-x)(PO4)2 mit x = 0; 0,25; 0,75; 1,5; 3 aus additiver Fertigung. Hierfür wurden Prüfkörper mittels 3D Pulverdruck gedruckt, anschließend durch Hochtemperatursinterung verfestigt und durch Behandlung mit reaktiven Lösungen nachgehärtet. Abhängig von der reaktiven Lösung wandelte sich die Keramik teilweise in Struvit, Bruschit und Newberyit um. Die biologische Testung in vitro erfolgte mit hFOB 1.19 Zellen und ergab eine gute Biokompatibilität sowie die Ausdifferenzierung osteogener Progenitorzellen für fast alle Keramikphasen, wobei die newberyithaltigen Keramiken tendenziell bessere Ergebnisse erzielten. / The increasing demand of materials for bone grafting in medicine and dentistry highlights the need of synthetically made, alloplastic, materials for bone grafting. Additive manufacturing enables the production of patient-fitted implants. For this purpose, the implant is virtually planed based on a 3D image dataset, using the CAD technique and produced by additive manufacturing like 3D powder printing. The aim of this study was to investigate the osteogenic potential of calcium magnesium phosphate ceramics (CaxMg(3-x)(PO4)2 with x = 0; 0,25; 0,75; 1,5; 3) in vitro processed by 3D powder printing. Scaffolds were made by 3D powder printing, solidified by high temperature sintering and afterwards post treated with reactive solutions. The reactive solution caused the precipitation of either brushite, newberyite or struvite. The biological testing in vitro, using hFOB 1.19 cells, showed good cytocompatibility and differentiation of osteogenic cells for nearly all ceramics mentioned above. The ceramics containing newberyite achieved slightly better results at all.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Expression unterschiedlicher Marker für die Vaskularisation in verschiedenen Modifikationen zur Unterkieferaugmentation mit autologem kortikospongiösen Beckenkammtransplantaten in-vivo am Schafmodell untersucht. Wie schon aus Voruntersuchungen bekannt, zeigte vor allem die Modifikation des Transplantatlagers in der Kombination einer resorbierbaren Bio-Gide® Membran mit dem Knochenersatzmaterial (KEM) Bio-Oss® und einem kortikospongiösen Transplantat die geringsten Resorptionsraten. Dieser Konditionierung wurden verschiedene andere Modikifationen des Transplantatlagers gegenübergestellt und jeweils die Expression der Vaskularisationsmarker untersucht und verglichen. Sowohl die Untersuchungen zur Expression von Bone Morphogenetic Protein-2 (BMP-2), Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) und seinen Rezeptor-Isoformen VEGF-Rezeptor 1 und VEGF-Rezeptor 2, sowie den NOS-Isoformen eNOS und iNOS zeigen alle eine signifikant vermehrte Expression in der Konditionierung mit Bio-Oss® als KEM und einer resorbierbaren Bio-Gide® Membran. Lediglich die Expression des von-Willebrand-Faktors (vWF) als Marker des Endothels zeigte keine signifikant vermehrte Expression in der mit Bio-Oss® und Bio-Gide® modifizierten Gruppe. Hier wäre die Tatsache, dass der vWF auch als Marker der endothelialen Dysfunktion beschrieben wird und in den klinisch stärker atrophierten Modifikation vermehrt exprimiert wird, eine Erklärungsmöglichkeit. Die Untersuchungen zur Expression der Vaskularisationsmarker hinsichtlich der Regionen im Augmentat zeigen sowohl bei BMP-2 wie auch bei VEGF und seinen Rezeptorisoformen VEGF-R1 und VEGF-R2 eine signifikant vermehrte Expression im Bereich des Transplantates in der Bio-Oss® Modifikation. Diese Ergebnisse stützen den klinischen Aspekt der guten Vaskularisierung des Transplantates und unterstreichen die Bedeutung der Wachstumsfaktoren für die Vaskularisierung im Transplantat. Bei den Färbungen auf NOS findet sich eine signifikant vermehrte Expression im Transplantatlager. Diese Ergebnisse stellen die Bedeutung von NOS für die Regulation der Osteogenese und die direkten Wirkungen auf Osteoblasten und Osteoklasten. Die Tatsache, dass gerade in der Bio-Oss® Modifikation, in der klinisch die geringste Resorption zu beobachten war, signifikant mehr Vaskularisationsmarker exprimiert wurden, ist Nachweis der besseren Vaskularisation dieser Konditionierung und unterstreicht sowohl den Nutzen von KEM wie Bio-Oss® bei Transplantationen autologen Knochens, wie auch die Möglichkeiten der therapeutischen Verwendung einzelner Wachstumsfaktoren wie z. B. BMP-2. / In this study the expression of various markers for vascularization in different modifications of alveolar ridge augmentation procedures on the mandible with autogenous bone grafts from the iliac crest was analyzed with the help of an in-vivo sheep model. As preliminary investigations suggested, especially the modification of the host side as a combination of a resorbable Bio-Gide® membrane according to the concept of Guided Bone Regeneration (GBR) with Bio-Oss® as a bovine bone substitute, showed the least resorption in clinical findings. This modification of the host side was compared with a control group, in which other modifications of the host side were being used and which showed a way higher rate of resorption during the surveillance period and until the euthanasia of the sheep after 16 weeks. The expression of different vascularization markers was compared between these two groups. The data concerning the expression of Bone Morphogenetic Protein-2 (BMP-2), Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) and its receptor-isoforms VEGF-Receptor 1 and VEGF-Receptor 2, as well as the Nitric Oxide Synthase (NOS) isoforms, the endothelial NOS (eNOS) and the inducible NOS (iNOS) all showed a significantly higher expression within the modification of the host side using GBR and Bio-Oss®. Only the expression of the von-Willebrand-Factor (vWF) as a marker of the endothelium showed no significantly higher expression within this modification but a higher expression within the control group. Hypothetically, the fact that vWF is also a marker of endothelial dysfunction could explain the higher expression within the control group. Taking the different regions of the graft in consideration, BMP-2, VEGF, VEGFR-1 and VEGFR-2 all showed a significantly higher expression within the bone graft of the modification using GBR and Bio-Oss®. These results underline the clinical aspect of the good vascularization of the graft within this modification. NOS showed a significantly higher expression in the region of the host side and could explain the importance of NOS for osteogenesis and its effect on osteoblasts and osteoclasts. In summary, the significantly higher expression of vascularization markers and clincally the lowest rate of atrophy and resorption within the modification of the host side using GBR and Bio-Oss®, underlines the better vascularization of this modification and emphasizes the use of GBR and bone substitues during the transplantation of autogenous bone grafts and suggests the therapeutical use of certain growth factors such as BMP-2 within this modification.

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