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<p>In this thesis different aspects of calcium-aluminate (CA) as biomaterial are presented. Calcium aluminate is a chemically bonded ceramic with inherent properties making it suitable for use as biomaterial in some applications. In this thesis the emphasis is put on the basic chemical, physical and mechanical properties that may be achieved using the CA system as well as synthesis of the CA raw material. The basis for using CA in any application is the synthesis of the raw material. Different synthesis routes for producing CA are presented with focus on high temperature routes and the micro-structural and phase development during synthesis. As a base for further understanding of the CA properties a thorough outline of the reaction chemistry for CA is presented also including a description of how the reactions may be controlled and how formulations can be designed. The surface reactions of CA when subjected to simulated body fluid showed that CA is <i>in vitro</i> bioactive. An <i>in vivo</i> study in teeth also indicates that CA produces apatite at the tooth material interface. Dental materials are subjected to a harsh environment in the mouth with high mechanical forces, erosion and thermal changes. Also the demands on precise handling characteristics are high. For these reasons the <i>in vitro</i> evaluation of physical and mechanical properties are important. In this work several mechanical and physical properties of Ca-based formulations for dental applications has been tested using different methods. Some attention is also put on the specific characteristics of CA and the difficulties that arise when new material classes needs to be tested according to consensus standard methods. Finally studies on a CA-based formulation intended for Vertebroplasty is presented. The studies include basic mechanical properties as well as testing the material in an <i>in vitro</i> model utilising synthetic cancellous bone.</p>

La presente tesis doctoral (i.e., “New developments in calcium phosphate bone cements: approaching spinal applications”) aporta nuevos conocimientos en el campo de los cementos óseos de fosfato de calcio (CPBCs) en relación a su aplicación clínica en el campo de la cirugía vertebral mínimamente invasiva. La hipótesis central de esta investigación fue formulada en los siguientes términos: “Los cementos apatíticos pueden ser (si se optimizan) una alternativa mejor (debido a sus propiedades de fraguado, endurecimiento y bioactividad) a los actuales cementos poliméricos utilizados en vertebroplastia y cifoplastia”. En este sentido, la presente tesis doctoral ha investigado nuevas soluciones para obtener cementos apatíticos con: (a) mejores propiedades mecánicas (Cap. 2); (b) capacidad para desarrollar macroporosidad abierta e interconectada (Cap. 3); (c) mejor estabilidad y reactividad química (Cap. 4 & 5); (d) óptimas propiedades de biocompatibilidad y osteogénicas (Cap. 6, 7 & 8); y (e) mejores propiedades de inyectabilidad (Cap. 7). Además, en esta tesis se ha investigado la aplicación de los ultrasonidos a la monitorización del fraguado inicial de cementos de base cerámica con el objetivo de relacionar la evolución de las propiedades acústicas con las características de inyectabilidad de estos cementos (Cap. 9 &10). El Capítulo 2 muestra que las propiedades mecánicas, de trabajabilidad y de fluidez de los cementos apatiticos pueden mejorarse con la adición de superplastificantes en la fase líquida de los cementos. Los resultados muestran que estos aditivos pueden mejorar la inyectabilidad inicial de los cementos sin afectar a su resistencia mecánica final. El Capítulo 3 muestra que la adición de cristales de sulfato de calcio dihidratado (CSD) a la fase en polvo de un cemento de base alfa-fosfato tricálcico (α-TCP) puede modular la formación de macroporosidad durante su fraguado. Las propiedades resultantes del fraguado de estos nuevos cementos bifásicos son debidas a la disolución del α-TCP y a la precipitación de una matriz de cristales entrecruzados de hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA) que contiene porosidad homogéneamente distribuida gracias a la disolución pasiva de la fase de CSD. Estos cementos bifásicos mostraron resistencias mecánicas adecuadas para la aplicación en hueso trabecular. El Capítulo 4 trata sobre la problemática del proceso de fabricación de la fase reactiva principal de los cementos apatíticos, i.e. del α-TCP (α- Ca3(PO4)2). Los resultados muestran que si la relación calcio-fosforo (Ca/P) de la mezcla reactiva inicial se desvía de la relación estequiométrica Ca/P=1.50 entonces los cementos resultantes poseen malas propiedades de fraguado y de endurecimiento. Estas desviaciones ocurren fácilmente durante el proceso de sinterización del α-TCP cuando los reactivos de mezcla utilizados varían su pureza de un lote a otro. En estos casos el α- TCP obtenido produce cementos no-reactivos, i.e. que no fraguan ni endurecen. El Capítulo 5 plantea nuevas soluciones para controlar y mejorar la reactividad química del α-TCP. En este sentido, se han estudiado nuevas soluciones sólidas sinterizadas del tipo (3.CaO-1.P2O5)1-x(FeO)x con el objetivo de reemplazar al reactivo α-TCP en las actuales formulaciones de CPBCs. Los resultados muestran que la modificación del α-TCP con hierro permite recuperar la reactividad química de cementos no-reactivos de base α-TCP con una mejora adicional de las propiedades de fraguado y reológicas de los cementos resultantes. El Capítulo 6 centra su atención sobre la citocompatibilidad de las nuevas formulaciones de cementos (investigadas en los Caps. 3-5). Los resultados mostraron que los nuevos cementos de fosfato de calcio modificados con hierro (IM-CPCs) poseen características apropiadas de citocompatibilidad ya que la adhesión y la viabilidad celular no fueron afectadas con el tiempo de cultivo por la concentración de hierro. El Capítulo 7 hace referencia a nuevas aproximaciones para mejorar la inyectabilidad de los cementos óseos de base α-TCP. Los resultados demostraron que la adición de nanopartículas de óxido de hierro en la fase en polvo de un cemento de base α-TCP mejora la inyectabilidad inicial y también la resistencia máxima a compresión del cemento sin afectar a sus reacciones físico-químicas de fraguado ni a su citocompatibilidad. El Capítulo 8 se centra sobre el carácter de citocompatibilidad, biocompatibilidad y osteogénico de los nuevos cementos bifásicos porosos/modificados con hierro (estudiados en los Caps. 3-7). Los resultados demostraron que los cementos bifásicos formulados a base de CSD y α-TCP modificado con hierro poseen la habilidad de favorecer la colonización celular in vitro y proporcionan aposición ósea firme in vivo. Se concluye que estas nuevas formulaciones tienen características de cito- y biocompatibilidad de interés como biomaterial para la sustitución/reconstrucción del tejido óseo esponjoso en aplicaciones de cirugía vertebral tales como la vertebroplastia o la cifoplastia. En el Capítulo 9 y en el Capítulo 10 se aproximan los ultrasonidos como una técnica fiable para caracterizar las propiedades iniciales de fraguado de materiales de tipo cemento. Esta técnica no-destructiva permite monitorizar el fraguado del cemento en su totalidad. Los resultados obtenidos relacionan las propiedades acústicas y de material con factores experimentales del proceso de fabricación y con características reológicas. Se concluye que la monitorización ultrasónica del fraguado de cementos óseos puede contribuir a establecer protocolos prácticos adecuados para su inyección mediante técnicas de cirugía mínimamente invasivas en cirugía vertebral. Finalmente, el Capítulo 11 presenta un resumen de los resultados más relevantes de esta investigación. / This thesis is aimed at contributing to close the gap between the research conducted on the field of calcium phosphate bone cements (CPBCs) and their specific spinal clinical use. The main working hypothesis was formulated as follows: “Apatitic cements could be (after further optimization) an alternative or better option (due to its natural setting, hardening and bioactive properties) to the present use of polymeric cements in vertebroplasty and kyphoplasty”. In this regard, this thesis has approached new solutions to obtain apatitic bone cements (ABCs) with: (a) improved mechanical properties (Chapter 2); (b) the ability to develop open-interconnected macroporosity (Chapter 3); (c) improved chemical reactivity and stability (Chapter 4 & 5); (d) suitable biocompatible and osteogenic properties (Chapter 6, 7 & 8); and (e) improved injectability properties (Chapter 7). Moreover, this thesis has also approached ultrasound in order to monitor the early setting stages of ceramic based bone cements to link acoustic and material properties with some intrinsic cement-injectability features (Chapter 9 & 10). Chapter 2 showed that workability, flowing and mechanical properties of ABCs can be improved by adding superplasticizers to the liquid cement phase. The results indicated that superplasticizers can be used to improve the injectability and the strength of apatitic bone cements. Chapter 3 showed that calcium sulfate dihydrate (CSD) crystals can be added into the cement powder phase to modulate the macroporosity of the cement during its setting. This was proved with an alpha-tricalcium phosphate (α-TCP) bone cement. The setting properties of the new biphasic cements resulted from the progressive dissolution-precipitation of α-TCP into calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) crystals and the passive dissolution of the CSD phase, which render porosity homogeneously distributed into an entangled matrix of CDHA crystals. The biphasic cements showed suitable strength for trabecular bone applications. Chapter 4 focused the manufacturing process of α-TCP (α-Ca3(PO4)2), the main cement reactant of most commercial ABCs. It has been shown that if calcium-to-phosphorous (Ca/P) ratio deviated from Ca/P=1.50, the resulting cements had worse setting and hardening properties. These deviations can result from sintering if reactives are not pure from batch to batch; in this case the α-TCP shows no-cement reactivity at all. Chapter 5 approached new solutions to control and improve the chemical reactivity of the α-TCP phase. In this sense, new solid solutions like (3.CaO-1.P2O5)1-x(FeO)x were investigated to replace the α-TCP of the present CPBCs. The results showed that iron modification of α-TCP recovered the chemical reactivity of unreactive α-TCP cements with even better setting and rheological end-cement properties. Chapter 6 focused the attention into the cytocompatibility of the new cement formulations (investigated previously; chapters 3-5). It is showed that the new iron-modified calcium phosphate cements (IM-CPCs) have cytocompatible features (i.e. cells’ adhesion and viability were not affected with culturing time by the iron concentration dose). Chapter 7 concerned a new approach to improve the injectability of α-TCP based bone cements. It has been shown that the addition of iron oxide nanoparticles into the powder phase of α-TCP based cement improved both, the initial injectability and maximum compressive strength of the cement without affecting their physico-chemical setting reactions and their cytocompatibility. Chapter 8 pointed to the cytocompatibility, the biocompatibility and the osteogenic character of new biphasic porous/iron-modified cements (investigated previously; chapters 3-7). The results showed that biphasic cements made of CSD and iron-modified α-TCP had the ability to support cellular colonization in vitro and lead firm bone binding in vivo. It is concluded that these new formulations has cyto- and biocompatible features of interest as further cancellous bone replacement biomaterial for spinal surgery applications such as vertebroplasty or kyphoplasty. Chapter 9 & 10 approached ultrasound as more reliable characterisation technique of the early setting properties of bone cement-like materials than the Gillmore needles standard. This non-destructive technique allowed monitoring the whole setting period of experimental calcium sulphate and calcium phosphate bone cements. The results linked acoustic and material properties with the experimental factors studied and with cement flowing features. It is expected that, after further optimization, ultrasound monitoring should help, in combination with recent approaches that measure certain injectability characteristic for calcium-based bone cements (CBC’s), to set up good practice protocols for CBC’s injection during minimally invasive surgery. Finally, Chapter 11 presents a summary of the major findings of this thesis.

In this thesis different aspects of calcium-aluminate (CA) as biomaterial are presented. Calcium aluminate is a chemically bonded ceramic with inherent properties making it suitable for use as biomaterial in some applications. In this thesis the emphasis is put on the basic chemical, physical and mechanical properties that may be achieved using the CA system as well as synthesis of the CA raw material. The basis for using CA in any application is the synthesis of the raw material. Different synthesis routes for producing CA are presented with focus on high temperature routes and the micro-structural and phase development during synthesis. As a base for further understanding of the CA properties a thorough outline of the reaction chemistry for CA is presented also including a description of how the reactions may be controlled and how formulations can be designed. The surface reactions of CA when subjected to simulated body fluid showed that CA is in vitro bioactive. An in vivo study in teeth also indicates that CA produces apatite at the tooth material interface. Dental materials are subjected to a harsh environment in the mouth with high mechanical forces, erosion and thermal changes. Also the demands on precise handling characteristics are high. For these reasons the in vitro evaluation of physical and mechanical properties are important. In this work several mechanical and physical properties of Ca-based formulations for dental applications has been tested using different methods. Some attention is also put on the specific characteristics of CA and the difficulties that arise when new material classes needs to be tested according to consensus standard methods. Finally studies on a CA-based formulation intended for Vertebroplasty is presented. The studies include basic mechanical properties as well as testing the material in an in vitro model utilising synthetic cancellous bone.

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La presente Tesis Doctoral se titula "Obtención y caracterización de nuevos cementos óseos de fosfatos de calcio en el sistema DCP&#8213;alfa-TCP". Los cementos de fosfatos de calcio (CFC) son materiales biocompatibles que tienen la propiedad de endurecer en condiciones fisiológicas formando una estructura porosa de cristales interconectados de hidroxiapatita, i.e. la fase mineral de los tejidos óseos. Estos materiales pueden ser diseñados para que sean inyectables y tengan distintos porcentajes de porosidad. Este hecho permite obtener cementos con distintas tasas de reabsorción ósea que pueden aplicarse con técnicas de mínima invasión. En general, estas propiedades otorgan a estos biomateriales un excelente interés en campos de aplicación de prevención, reconstrucción o estabilización ósea (p.e.: osteoporosis, cirugía craneofacial, vertebroplastia, cifoplastia).Esta Tesis Doctoral consta de 6 capítulos. El Capítulo 1 (Cementos óseos de fosfatos de calcio) recoge el estado del arte de los CFC. Se realiza una revisión bibliográfica crítica de toda la información de interés. Se concluye la necesidad de realizar estudios cinéticos que expliquen adecuadamente las propiedades de fraguado de estos cementos y permitan diseñar cementos con mejores propiedades. El Capítulo 2 (Materiales y métodos utilizados en la fabricación y caracterización de cementos óseos de fosfatos de calcio) describe el protocolo de trabajo seguido para caracterizar los CFC física y químicamente. Este protocolo permite establecer correlaciones entre la microestructura y las propiedades macroscópicas. El Capítulo 3 (Estudio de la cinética de la reacción de fraguado de un cemento óseo de fosfato de calcio) investiga la cinética de fraguado de un cemento octocálcico en el sistema DCP&#8213;alfa-TCP. Los resultados mostraron que: (a) sólo el alfa-TCP reaccionó para dar una hidroxiapatita deficiente en calcio (CDHA); (b) el porcentaje de reacción y la resistencia mecánica a compresión estaban correlacionadas; (c) el cemento presentó una estructura de cristales interconectados con distinto grado de compacidad. El Capítulo 4 (Estudio de nuevas formulaciones de cementos de fosfatos de calcio en el sistema DCP&#8213;alfa-TCP) investiga las propiedades de fraguado y de resistencia mecánica de cementos del sistema DCP&#8213;alfa-TCP en el intervalo de relaciones Calcio/Fósforo (Ca/P) 1.26<Ca/P<1.50. Se estudia cómo varían la trabajabilidad, los tiempos de fraguado y la resistencia a la compresión. También se estudia el efecto de la adición de carbonato cálcico (CC) sobre las propiedades de fraguado ya que se espera obtener como producto final de la reacción de fraguado una hidroxiapatita deficiente en calcio carbonatada y, por lo tanto, más semejante a la apatita de la fase mineral ósea. Los resultados mostraron que la adición de un 10 % de CC produjo un efecto fluidificante sobre los cementos con un incremento en los valores de los tiempos de fraguado. El análisis de la evolución de la resistencia a la compresión con el tiempo demostró que el CC actúa como un retardador. Sin embargo, la resistencia final alcanzada representa en muchos casos un incremento de más del 40 %. El Capítulo 5 (Discusión general) discute los resultados más relevantes analizados a lo largo de los Capítulos 3 y 4 para comprender las posibilidades clínicas que este tipo de materiales nos ofrece. El Capítulo 6 (Conclusiones) presenta una serie de conclusiones obtenidas a partir de los resultados de los Capítulos 3 y 4. Son conclusiones extraídas a partir del análisis de los resultados de determinadas poblaciones de muestras. Como los intervalos de variabilidad de los parámetros de cada población son diferentes, muchas de las conclusiones no son generalizables a todo el sistema DCP&#8213;alfa-TCP, sino que se han de leer dentro de este sistema y en las condiciones experimentales estudiadas. Finalmente, la Tesis Doctoral lista el conjunto de referencias bibliográficas utilizadas en este trabajo de investigación.

Ce travail porte sur la mise au point, le développement et l’étude de la dégradation et de la biocompatibilité d’un nouveau ciment phosphocalcique modifié par ajout de strontium. Un ciment composite formé par l’insertion de microsphère de PLAGA a aussi été développé. Ces ciments ont un intérêt thérapeutique en orthopédie et en chirurgie maxillo-faciale pour le comblement ou le renforcement osseux. Les caractéristiques mécaniques, rhéologiques et radiologiques du ciment et du composite ont été évaluées et optimisées pour rendre leurs formulations à la fois résistantes, injectables et radio-opaque. Un travail de développement à été mené pour répondre au mieux au cahier des charges clinique de ce type de substitut osseux. La chimie de la réaction au sein du ciment à été étudiée pour connaître les mécanismes réactionnels, l’évolution et le produit final de la réaction de prise. Des tests in vitro sur la dégradation par dissolution passive des constituants du ciment et du composite ont été réalisés ainsi que l’étude de la biocompatibilité sur des cultures cellulaires. Des expérimentations animales sur la peau de souris et sur le tibia de lapin ont permis de confirmer la biocompatibilité du ciment et du composite et de donner une première évaluation de sa résorption et de son remplacement par du tissu osseux néo formé. / The aim of this thesis is to design and develop a new calcium phosphate cement modified by addition of strontium and a composite cement formed by the insertion of PLAGA microspheres.These cements have a therapeutic interest in orthopaedic and maxillofacial surgery for bone filling or reinforcement.The mechanical, rheological and radiological properties of cement and composite were evaluated and optimized to improve their mechanical strength, injectability and radio-opacity. Development works were conducted to meet clinical specifications required for this type of bone substitute.The cement chemistry was studied to determine the reaction mechanisms, evolution and the final product of the setting reaction. In vitro tests on the degradation of cement components and composites were performed and the biocompatibility was studied by cell cultures.Animal experiments on mouse skin and rabbit tibia have confirmed the biocompatibility of these cements and provide a preliminary assessment of its resorption and replacement by newly formed bone tissue.

The use of injectable biomaterials is growing as the demands for minimally invasive procedures, and more easily applicable implants become higher, but their availability is still limited due to the difficulties associated to their design. Each year, more than 700,000 vertebral compression fractures (VCF’s) are reported in the US and 500,000 VCF’s in Europe due to primary osteoporosis only. VCF’s can compromise the delicacy of the spinal canal and also cause back pain, which affects the patient’s quality of life. Vertebroplasty was developed in the 80’s, and has proven to be a safe minimally invasive procedure that can, quickly and sustainably, relieve the pain in patients experiencing VCF’s. However, biomaterials for vertebroplasty still have limitations. For instance, ceramic bone cements are difficult to distinguish from the bone using X-ray techniques. On the other hand, acrylic bone cements may cause adjacent vertebral fractures (AVF’s). Large clinical studies have indicated that 12 to 20% vertebroplasty recipients developed subsequent vertebral fractures, and that 41 to 67% of these, were AVF’s. This may be attributed to the load shifting and increased pressure on the adjacent endplates reached after vertebroplasty with stiff cements. The primary aim of this thesis was to develop better injectable biomaterials for spinal applications, particularly, bone cements for vertebroplasty. Water-soluble radiopacifiers were first investigated to enhance the radiopacity of resorbable ceramic cements. Additionally, different strategies to produce materials that mechanically comply with the surrounding tissues (low-modulus bone cements) were investigated. When a suitable low-modulus cement was produced, its performance was evaluated in both bovine bone, and human vertebra ex vivo models. In summary, strontium halides showed potential as water-soluble radiocontrast agents and could be used in resorbable calcium phosphates and other types of resorbable biomaterials. Conversely, linoleic acid-modified (low-modulus) cements appeared to be a promising alternative to currently available high-modulus cements. It was also shown that the influence of the cement properties on the strength and stiffness of a single vertebra depend upon the initial bone volume fraction, and that at low bone volume fractions, the initial mechanical properties of the vertebroplasty cement become more relevant. Finally, it was shown that vertebroplasty with low-modulus cements is biomechanically safe, and could become a recommended minimally invasive therapy in selected cases, especially for patients suffering from vertebral compression fractures due to osteoporosis.

L’ostéoporose est définie par une diminution de la masse osseuse et une altération de la structure osseuse. L’évaluation de l’architecture de l’os trabéculaire vertébral est un des enjeux majeurs de recherche actuels visant à la caractérisation des modifications du tissu osseux liées au vieillissement. Par ailleurs, le traitement de la fracture vertébrale ostéoporotique par vertébroplastie a démontré son efficacité. Le ciment actuel utilisé pour la vertébroplastie est le polyméthylméthacrylate. Ce ciment est efficace pour stabiliser la vertèbre et diminuer la douleur mais il existe une toxicité pour les tissus mous avoisinant, notamment la moelle en cas de fuite, et des inquiétudes quant au risque de fracture des vertèbres adjacentes. De nouveaux ciments biointégrables du type ciments phosphocalciques supplémentés en bisphosphonates pourraient avoir leur place à l’avenir dans le traitement des vertèbres.Notre travail de thèse s’est inscrit dans un projet pluridisciplinaire de recherche sur les altérations de la structure de l’os trabéculaire vertébral, reposant sur une analyse en imagerie médicale et une étude biomécanique, et sur le développement d’un nouveau ciment phosphocalcique supplémenté en bisphosphonates.L’ensemble de nos résultats pourra nous permettre :-D’améliorer la prédiction du risque de fracture vertébrale ostéoporotique-D’optimiser les nouveaux ciments biointégrables / The current definition of osteoporosis is a low bone mass associated with a microarchitecture deterioration. Vertebral trabecular bone microarchitecture assessment is an important research topic aiming at the characterization of the modifications of the bone tissue bound to ageing. On the other hand, the vertebral fracture treatment by vertebroplasty is known to be effective. Currently the cement used in vertebroplasty is the polymethylmetacrylate (PMMA). This cement stabilizes the vertebral fracture and decreases the pain, but there are a toxicity for nearby soft tissues, in particular spinal marrow in case of leakage, and concerns as for the risk of fracture of the neighboring vertebrae. In the future, new biointegrable calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate could be used in the vertrebrae treatment.Our work was based on a multidisciplinary project which aimed firstly at evaluating trabecular vertebral bone microarchitecture using medical imaging and biomechanical testing in this crucial anatomical region, secondly at developing a new calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate. Our results may lead to:- improve the fracture risk prediction in osteoporotic vertebra- improve the new biointegrable cements

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der kontinuumsmechanischen Formulierung des Aushärteverhaltens polymerer Werkstoffe sowie der Implementierung und Simulation von Aushärtestoffgesetzen im Rahmen der Finite-Elemente-Methode. Auf Basis eines allgemeinen Modellierungsrahmens wird ein konkretisiertes Stoffgesetz für die Nachbildung von Aushärteprozessen eines acrylischen Knochenzements entwickelt. Darüber hinaus werden verschiedene Finite-Elemente-Simulationen zum klinischen Verfahren der Vertebroplastie präsentiert. / This work deals with the continuum mechanical formulation of curing phenomena in polymers as well as the implementation and simulation of curing models within the finite element method. Based on a general modelling framework, a specified material model for the simulation of curing processes in an acrylic bone cement is developed. Moreover, different finite element simulations regarding the clinical procedure of vertebroplasty are presented.