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.

In der vorliegenden Dissertationsarbeit wurden Sphäroide aus mesenchymalen Stammzellen aus dem Fettgewebe oder dem Knochenmark mittels der Micromold-Methode hergestellt. Den Sphäroiden wurden entweder Calciumphosphat- oder Calcium-Magnesium-Phosphat-Partikel hinzugefügt. Zum einen sollte überprüft werden, ob die Zugabe von Partikeln die osteogene Differenzierung der Sphäroide fördert und somit zur weiteren Entwicklung von körpereigenem Knochenersatzmaterial in der regenerativen Medizin beiträgt. Zum anderen sollte festgestellt werden, ob eine der beiden Biokeramiken hinsichtlich der osteogenen Differenzierung überlegen ist. / In this dissertation, spheroids were produced from mesenchymal stem cells from adipose tissue or bone marrow using the micromold method. Either calcium phosphate or calcium magnesium phosphate particles were added to the spheroids. On the one hand, it was to be examined whether the addition of particles promotes the osteogenic differentiation of the spheroids and thus contributes to the further development of endogenous bone replacement material in regenerative medicine. Secondly, to determine whether one of the two bioceramics is superior in terms of osteogenic differentiation.

Six different magnesium-containing mineral bone cement formulations (based on struvite, K-struvite, dittmarite, newberyite, magnesium oxychloride or an amorphous magnesium phosphate cement) were developed in the present thesis with the aim to improve material degradability, particularly in comparison to clinically established hydroxyapatite (HA) cements. Ideally, a rapid degradation supports simultaneous new bone formation and enables a full replacement of the implanted material by newly formed bone within several months. All compositions were characterized and optimized in vitro regarding handling, mechanical stability, and phase composition. Additionally, porosity and passive degradation was investigated. Four formulations (struvite, K-struvite, newberyite, magnesium oxychloride) exhibited a higher in vitro weight loss (1%, 8%, 1%, 37%) and cumulative ion release after 18 days in phosphate buffered saline (Mg: 10 µmol, 7 µmol, 12 µmol, 67 µmol) compared to the HA control cement (-0.4%, Ca: 0.5 µmol), indicating a higher passive solubility. HA is mainly resorbed by osteoclasts in vivo, which limits the resorption to the cement surface and results in a very slow degradation in vivo. Only for the amorphous magnesium phosphate cement, which is based on trimagnesium phosphate and sodium hydrogen phosphate, no weight loss during storage in PBS and a similarly low ion release compared to HA was observed. The in vitro degradation of the prefabricated dittmarite cement was not investigated, because it is expected to be similar to struvite-forming cements, due to the chemical resemblance of the two minerals. The most promising cement compositions (struvite, K-struvite, newberyite and dittmarite) were implanted in an established ovine bone defect model by our cooperation partners and degradation and new bone formation were quantified histomorphometrically. The cement area reduction 4 months after implantation was for all compositions (25%, 63%, 18%, 37%) noticeably higher compared to the HA reference cement (<5%), which had been already implanted in the very same defect model in a predecessor study. Furthermore, all compositions demonstrated a high biocompatibility and the degraded material was replaced by new bone. The prefabricated dittmarite cement, which allows the storage of the viscous paste and a direct application during surgery, proved to be the most promising cement composition, with an observed in vivo cement area reduction of 37% at 4 months after implantation (control HA: <5%). By using a trimodal particle size distribution, including diammonium hydrogen phosphate and trimagnesium phosphate with two different particle sizes, the injection force was reduced from 72 to 25 N. The high porosity of the set cement (52%) likely promoted the rapid degradation, but also decreased the compressive strength to 9-14 MPa. By contrast, the non-prefabricated struvite cement, exhibiting 12% porosity, reached a compressive strength of 36 MPa. For future clinical use, the storage stability would be important to address, because an increase of injection force from 25 N to 113 N was observed after a storage time of 4 weeks, caused by a strong viscosity increase. Apart from bone cement formulations, granules are a commonly used application form of bone replacement materials, particularly in maxillofacial surgery. Here, three different magnesium-mineral based granules (struvite, K-struvite, farringtonite) were fabricated with an emulsion process and compared to the clinically established material ß-TCP. For farringtonite and ß-TCP, new process routes for the granule fabrication were developed. Thereby, farringtonite and ß-TCP contents of 97% and 90%, respectively, were achieved. After the in vivo implantation in drill hole bone defects in a sheep model, also conducted by our cooperation partners, struvite granules exhibited a similar, and farringtonite granules a slightly improved degradation and new bone formation compared to ß-TCP granules. The remaining granule area after 4 months was 29%, 18% and 30% for struvite, farringtonite and ß-TCP, respectively. Only the K-struvite granules degraded too rapidly, with a relative granule area of 2% at 4 months after implantation. In conclusion, particularly magnesium ammonium phosphate cement pastes (struvite, dittmarite) appear to be a very promising advancement of mineral bone cements, enabling a rapid resorption of the material in vivo and replacement by newly formed bone. / In der vorliegenden Arbeit wurden sechs verschiedene magnesiumhaltige mineralische Knochenzementformulierungen (basierend auf Struvit, K-Struvit, Dittmarit, Newberyit, Magnesiumoxychlorid oder einem amorphen Magnesiumphosphatzement) mit dem Ziel entwickelt, die Materialabbaubarkeit insbesondere im Vergleich zu klinisch etablierten Hydroxylapatit (HA)-Zementen zu verbessern. Im Idealfall wird durch eine beschleunigte Degradation gleichzeitig die Knochenneubildung unterstützt und ein vollständiger Ersatz des implantierten Materials durch neu gebildeten Knochen innerhalb mehrerer Monate ermöglicht. Alle Formulierungen wurden in vitro hinsichtlich Handhabung, mechanischer Stabilität und Phasenzusammensetzung charakterisiert und optimiert. Außerdem wurden die Porosität und die passive Degradation untersucht. Bei vier Zementen (Struvit, K-Struvit, Newberyit, Magnesiumoxychlorid) war der in vitro gemessene Gewichtsverlust (1 %, 8 %, 1 %, 37 %) und die kumulierte Ionenfreisetzung in PBS (Mg: 10 µmol, 7 µmol, 12 µmol, 67 µmol) im Vergleich zum HA-Kontrollzement (-0.4%, Ca: 0.5 µmol) deutlich höher, was auf eine höhere passive Löslichkeit hinweist. HA wird in vivo hauptsächlich von Osteoklasten resorbiert, sodass die Degradation auf die Zementoberfläche beschränkt ist und zu einem sehr langsamen Abbau des Materials in vivo führt. Nur für den amorphen Magnesiumphosphatzement, der auf Trimagnesiumphosphat und Natriumhydrogenphosphat basiert, wurde kein Gewichtsverlust während der Lagerung in PBS und eine ähnlich geringe Ionenfreisetzung im Vergleich zu HA beobachtet. Der In-vitro-Abbau des vorgefertigten Dittmarit-Zements wurde nicht untersucht, da aufgrund der chemischen Ähnlichkeit ein ähnliches Verhalten wie bei den struvitbildenden Zementen zu erwarten ist. Die vielversprechendsten Zementzusammensetzungen (Struvit, K-Struvit, Newberyit und Dittmarit) wurden von unseren Kooperationspartnern in ein etabliertes Knochendefektmodell im Schaf implantiert und Abbau und Knochenneubildung histomorphometrisch quantifiziert. Die Zementflächenreduktion 4 Monate nach der Implantation war bei allen Zusammensetzungen (25 %, 63 %, 18 %, 37 %) deutlich höher im Vergleich zum HA-Referenzzement (<5 %), der in einer Vorgängerstudie im gleichen Defektmodell untersucht worden war. Darüber hinaus zeigten alle Zusammensetzungen eine hohe Biokompatibilität und das degradierte Material wurde durch neuen Knochen ersetzt. Der vorgefertigte Dittmarit-Zement, der die Lagerung der viskosen Paste und eine direkte Applikation ohne vorheriges Anmischen während der Operation ermöglicht, erwies sich als die vielversprechendste Zusammensetzung, mit einer in vivo beobachteten Reduzierung der Zementfläche um 37 % vier Monate nach Implantation (Kontroll-HA-Zement: <5 %). Durch die Verwendung einer trimodalen Partikelgrößenverteilung, einschließlich Diammoniumhydrogenphosphat und Trimagnesiumphosphat mit zwei verschiedenen Partikelgrößen, wurde die Injektionskraft von 72 auf 25 N reduziert. Die hohe Porosität des ausgehärteten Zements (52 %) begünstigte wahrscheinlich die schnelle Degradation, verringerte aber auch die Druckfestigkeit auf 9-14 MPa. Der nicht vorgefertigte Struvit-Zement, der eine Porosität von 12 % aufwies, erreichte dagegen eine Druckfestigkeit von 36 MPa. Für eine zukünftige klinische Anwendung wäre es essenziell die Lagerungsstabilität zu verbessern, da nach einer Lagerungszeit von 4 Wochen ein Anstieg der Injektionskraft von 25 N auf 113 N gemessen wurde, was auf einen starken Viskositätsanstieg der Paste zurückzuführen ist. Neben Knochenzementformulierungen sind Granulate eine häufig verwendete Applikationsform von Knochenersatzmaterialien, insbesondere in der Kieferchirurgie. Hier wurden drei unterschiedliche mineralische, magnesiumhaltige Granulate mittels Emulsionsverfahren hergestellt (Struvit, K-Struvit, Farringtonit) und mit dem klinischen Standardmaterial ß-TCP verglichen. Für Farringtonit und ß-TCP wurden neue Prozessrouten zur Granulatherstellung entwickelt. Dabei wurden Farringtonit- und ß-TCP-Gehalte von 97 % bzw. 90 % erreicht. Nach der in vivo Implantation der Materialien in Knochen-Bohrlochdefekte im Schafsmodell, die ebenfalls von unseren Kooperationspartnern durchgeführt wurde, zeigte das Struvit-Granulat eine ähnliche und das Farringtonit-Granulat eine leicht verbesserte Degradation und Knochenneubildung im Vergleich zum ß-TCP-Granulat. Die verbleibende Granulatfläche nach 4 Monaten betrug 29 %, 18 % bzw. 30 % für Struvit, Farringtonit und ß-TCP. Nur das K-Struvit-Granulat wurde zu schnell abgebaut, mit einer relativen Granulatfläche von 2 % nach 4 Monaten Implantationszeit. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass insbesondere Magnesium-Ammonium-Phosphat-Zementpasten (Struvit, Dittmarit) eine vielversprechende Weiterentwicklung von mineralischen Knochenzementen darstellen, die eine schnelle Resorption des Materials in vivo und den Ersatz durch neu gebildeten Knochen ermöglichen.

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.