Aus der Sicht von Klinikern – Orthopäden und Unfallchirurgen – besteht ein großer Bedarf an degra¬dierbaren Knochenersatzmaterialien für den osteoporotischen und den krebskranken Knochen. Fraktu¬ren am Oberschenkelhals oder auch der Wirbelsäule heilen bei diesen systemischen Erkrankungen gar nicht oder nur sehr langsam. Frakturen des gesunden Knochens heilen ins¬besondere bei älteren Patienten schwer, wenn große Defektbereiche vorhanden sind. Gilt bei einem ge¬sunden Patienten ein Defekt von etwa 1,5 – 2 cm als überkritisch und bedarf somit der Versorgung mit einem Knochen¬ersatz¬material, so kann bei einem älteren oder erkrankten Menschen bereits eine Spalt¬breite von mehr als 3 mm problematisch sein. Der Sonderforschungsbereich Transregio 79 mit dem Thema 'Werkstoffe für die Geweberegeneration im systemisch erkrankten Knochen' hat sich dieses Problems angenommen und will es ätiologiebasiert durch die Verbindung von Erkenntnissen und Charakterisierungs-methoden aus Werkstoffwissenschaft, Biologie und Medizin lösen. Die vorliegende Dissertation wurde im Rahmen dieses Vorhabens und in der Gruppe Biomimetische Materialien und Biomaterialanalytik des Instituts für Werkstoffwissenschaft, Professur Biomaterialien, der Technischen Universität Dresden erarbeitet. Sie beschäftigt sich vorrangig mit der Entwicklung von Knochenersatz¬material für den gesunden sowie den osteoporotischen Knochen. Der Arbeitshypothese folgend, dass die Defekt-/Frakturheilung im osteoporotischen Knochen durch Knochenersatzmaterial bestehend aus Calcium-/Strontiumphosphaten verbessert werden kann, soll die Ionenfreisetzung durch geeignete Kristallstrukturen gezielt eingestellt werden, um den Knochenwiederaufbau direkt über die Osteo¬blastenaktivität oder indirekt über die Cytokinausschüttung der Osteoklasten zu stimulieren.
Für die Materialentwicklung sind eine hinreichende Kenntnisse über die Struktur und den Aufbau des Knochens, über die Mineralisation und die Zellbiologie des Knochens einschließlich des Immunsystems notwendig. Zu Beginn der Arbeit war es deshalb notwendig, diesen Kenntnisstand zur Mineralbildung im Knochen zu vertiefen. Eine intensive Zusammenarbeit mit Projekten innerhalb des Transregio 79, die sich der Strukturaufklärung und der Zellbiologie des Knochens widmen beziehungsweise die Tierexperimente durchführen, war daher erforderlich. Diese Verknüpfung erfordert eine tiefgehende Auseinandersetzung mit der Frakturheilung, um interdisziplinär erfolgreich wirken zu können. Im Verlauf der Materialentwicklung erwies es sich als vorteilhaft, auch im eigenen Labor Zellkultur¬untersuchungen durchzuführen. Sie ermöglichten eine schnellere Umsetzung von Erkenntnissen der Zell¬reaktion in die Materialkonzeption.
Aus werkstoffwissenschaftlicher Sicht ist der Knochen ein durch die Evolution geprägtes und hinsicht¬lich seiner mechanischen und biologischen Eigenschaften herausragend aufgebautes Verbundmaterial, das aus organischen und anorganisch nichtmetallischen Komponenten besteht und hierarchisch strukturiert ist. Kollagen I und Hydroxylapatit sind seine Hauptbestandteile. Daneben gibt es aber eine Reihe von Calciumphosphatstrukturen und Spuren von Fremdionen sowie nichtkollagenen Proteinen, deren Wirkung im Zuge der Mineralisation bisher kaum verstanden wird. Die zeitliche Abfolge, die Vielzahl an beteiligten Komponenten und die zelluläre Steuerung ergeben eine umfangreiche Parametervielfalt, die sich zum Teil durch Kompensationsmechanismen einer definitiven Ursachen-Wirkungs-Beschreibung entziehen. Eine Auseinandersetzung mit dem Knochenaufbau ist jedoch essen¬tiell für die Orientierung am natürlichen Vorbild. Zudem bedarf es der Kenntnis des zellulären Verhal¬tens auf extrazelluläre Einflüsse, um die Biomaterialcharakterisierung und eine geeignete Material¬modifizierung zu vollziehen. Deshalb wird im Stand des Wissens im nachfolgenden Kapitel zunächst auf die Struktur und den Aufbau des Knochens eingegangen, ehe auf die Besonderheiten der Mineralisation Bezug genommen wird. Letztere erfolgt nicht nach dem Prinzip der klassischen Mineralisation. Stattdessen liegen im Knochen Nanokristallite vor, die mithilfe organischer Moleküle zu sogenannten mesoskopischen Partikeln zusammengeführt werden. Die Kristallisation wird auf diesem Weg unabhängiger von Ionenprodukten und kann ohne Änderungen von pH-Werten stattfinden. Eine Schlüs¬sel¬position bei dieser Mineralisation nehmen strukturdirigierende Moleküle ein. Es ist bisher unklar geblieben, welche strukturdirigierenden Moleküle in welcher Reihenfolge oder auch gemeinsam im Knochen wirken und welches Molekül den Mineralisationsprozess einleitet und wie es mit den Haupt-komponenten des Knochens in Wechselwirkung steht. Das Materialkonzept sah daher von Beginn an vor, knochennahe Komponenten wie Kollagen Typ I und Calciumphosphatphasen als Grund¬bestandteile für den Knochenersatz zu verwenden, aber auch das nicht¬kollagene Protein Osteocalcin beziehungs¬weise Asparaginsäure als dessen Modellsubstanz werden als mögliche strukturdirigierende Moleküle mit einbezogen. Aufbauend auf dem gegenwärtigen Stand des Wissens wurde auch Strontium als Fremdion, wegen seiner bekannten positiven Wirkung auf den osteoporotischen Knochen, mit in das Konzept eingebunden. Weil bei einer Einführung in die medizinische Praxis auch ökonomische Gesichtspunkte eine wichtige Rolle spielen, war es naheliegend, statt Tropokollagen und Kollagen¬fibrillen auch Gela¬tine als organische Hauptkomponente zu verwenden.
Die Forschung an einem temporären Knochenersatz für die Behandlung überkritischer Defekte und Frakturen durch ein degradierbares Biomaterial erfordert die Anregung der Knochenneubildung und gegebenenfalls die Einbindung in den Remodellierungsprozess, was einerseits von der biologisch medizinischen Seite, andererseits aber von der Seite der Handhabbarkeit im operativen Einsatz zu beur¬teilen ist. Beiderseits sind werkstoffwissenschaftliche Untersuchungen und Beschreibungen der Struktur sowie des Gefüges und die Herstellung einer Beziehung zu den daraus resultierenden Eigenschaften erforderlich. Auf dieser Basis wird aus der Materialforschung der technisch anwendbare Werkstoff.
Im Anschluss an den Stand des Wissens werden die Ergebnisse zur Knochenuntersuchung, ebenso wie die der verschiedenen Mineralisationsmethoden aufgeführt und jeweils in den darauffolgenden Kapiteln diskutiert, um die Weiterentwicklung der Biomaterialsynthese zu erläutern. Das daraus resultierende Materialkonzept wird ausführlich in vitro charakterisiert und die Materialauswahl für den ersten in vivo Einsatz im Rahmen des Transregio 79 im osteoporotischen Rattenmodell erörtert. Die abschließende Zusammenfassung führt die Teilerkenntnisse zusammen und ermöglicht einen Ausblick für die weitere Materialentwicklung auf der Basis biomimetisch mineralisierter organischer Makromoleküle.:Danksagung
Eigenständigkeitserklärung
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand des Wissens
2.1 Biomineralisation und Selbstorganisation: Der Knochen
2.1.1 Organische Knochenbestandteile: Kollagen und Osteocalcin
2.1.2 Anorganik des Knochens
2.1.3 Hierarchischer Aufbau des Knochens
2.1.4 Knochenzellen und die Knochenremodellierung
2.1.5 Physiologische Bedeutung von Calcium und Strontium
2.2 Materialien und Werkstoffe für den Knochenersatz
2.2.1 Synthetische Calciumphosphate
2.2.2 In vitro Mineralisation von organischen Makromolekülen
2.2.3 Bioaktivität von Knochenersatzmaterialien
2.2.4 Natürliche Knochenersatzmaterialien
2.2.5 Artifizielle Knochenersatzmaterialien
2.3 Zusammenfassung
3 Materialien und Methoden
3.1 Dual-Membran-Migrationsmethode und Doppelmigrationsmethode
3.1.1 Kollagenaufreinigung
3.1.2 Resuspendierung und Fibrillogenese des Tropokollagens
3.1.3 Dual-Membran-Migrationsmethode
3.1.4 Doppelmigrationsmethode
3.2 Fällungsreaktion im Batch-Prozess
3.2.1 Mineralpräzipitation – Mineralisation und Reifung
3.2.2 Mineralverarbeitung zur Probekörperherstellung
3.3 Charakterisierung und Analysemethoden
3.3.1 Strukturanalytik
3.3.2 Morphologische Untersuchungen
3.3.3 Mechanische Charakterisierung
3.3.4 Glühverlust
3.3.5 Optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP OES)
3.3.6 Dichte und Porosität
3.3.7 Degradation in physiologische Lösungen: Bioaktivität, pH Wertmessung und Masseänderung
3.3.8 Kultivierung von humanen mesenchymalen Stammzellen und humanen Monozyten
3.3.9 Biochemische Untersuchungsmethoden
3.4 Statistische Auswertung
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Analytik humanen Knochens
4.1.1 Transmissionselektronenmikroskopische Analyse
4.1.2 Hypothese der Kollagenmineralisation
4.2 Dual-Membran-Migrationsmethode: (Tropo-)Kollagen mit poly Asparaginsäure und Osteocalcin
4.2.1 Mineralisation von Kollagenscaffolds, suspendiertem fibrillärem Kollagen und Tropokollagen
4.2.2 Erkenntnisse aus der in vitro Mineralisation mittels DM3
4.3 Zusammenfassung zur Hypothese der in vivo Kollagenmineralisation mit in vitro Vergleich
4.4 Doppelmigrationsmethode: Mineralisation von Gelatine
4.4.1 Struktur der gebildeten Calciumphosphatphasen
4.4.2 Degradation der mineralisierten Gelatine
4.4.3 Untersuchung des Zellverhaltens in der Osteoblasten/Osteoklasten-Co-Kultivierung
4.4.4 Diskussion des ormoHAp-Aufbaus und der Einflussnahme auf die hMSC/Monozyten-Co-Kultur
4.5 Fällungsmethode: Mineralisierung von phosphatvorstrukturierter Gelatine durch Calciumphosphate
4.5.1 Kristallstruktur und Materialcharakterisierung
4.5.2 Analyse der mechanischen Eigenschaften, des Degradationsverhaltens und der Bioaktivität
4.5.3 In vitro Biokompatibilität von verpresstem gelatinemodifizierten Calciumphosphat
4.5.4 Zusammenfassung der Analytik des gelatinemodifizierten Calciumphosphats
4.6 Fällungsmethode: Mineralisierung von phosphatvorstrukturierter Gelatine in Gegenwart von Calcium- und Strontiumionen
4.6.1 Charakterisierung der gelatinemodifizierten Calcium-/Strontiumphosphate
4.6.2 Probekörperherstellung
4.6.3 Eigenschaften des Biomaterials: Degradation und in vitro Biokompatibilität
4.6.4 Untersuchung der in vitro Biokompatibilität von gelatinemodifizierten Calcium-/Strontiumphosphaten
4.6.5 Erste Resultate der in vivo Implantation im Femurdefekt osteoporotischer Ratten
5 Zusammenfassung
6 Ausblick
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Quellenverzeichnis
Anhang
A1 Aufbereitungs- und Testchemikalien
A2 Zellkulturmaterialien
A3 Puffer und Lösungen
A4 Technische Geräte, Hilfsmittel und Verbrauchsmaterialien
Eigene Publikationen und Mitautorschaften / From the point of view of clinicians - orthopedists and trauma surgeons - there is a great need for degradable bone substitutes for osteoporotic and cancerous bone. Fractures of the femoral neck or even the spine do not heal at all or only very slowly in these systemic diseases. Fractures of healthy bone heal with difficulty, especially in older patients, if large defect areas are present. While a defect of about 1.5 - 2 cm in a healthy patient is considered supercritical and thus requires the use of bone substitute material, a gap width of more than 3 mm in an elderly or affected person can be problematic. The Collaborative Research Center Transregio 79 with the topic 'Materials for Tissue Regeneration within Systemically Altered Bone' has taken up this problem and aims to solve it in an etiology-based manner by combining findings and characterization methods from materials science, biology and medicine. This dissertation was written within the framework of this project and in the Biomimetic Materials and Biomaterial Analysis Group of the Institute of Materials Science, Chair of Biomaterials, at the Technical University of Dresden. It is primarily concerned with the development of bone substitute materials for healthy and osteoporotic bone. Following the working hypothesis that defect/fracture healing in osteoporotic bone can be improved by bone substitute material consisting of calcium/strontium phosphates, the ion release is to be specifically adjusted by suitable crystal structures in order to stimulate bone reconstruction directly via osteoblast activity or indirectly via cytokine release by osteoclasts.
Sufficient knowledge of the structure and composition of bone, of mineralization and of the cell biology of bone, including the immune system, is necessary for material development. At the beginning of the work, it was therefore necessary to deepen this knowledge of mineral formation in bone. An intensive cooperation with projects within the Transregio 79, which are dedicated to the structural elucidation and the cell biology of bone or which perform animal experiments, was therefore necessary. This linkage requires an in-depth examination of fracture healing in order to be able to work successfully on an interdisciplinary basis. In the course of material development, it proved advantageous to also carry out cell culture investigations in our own laboratory. They enabled faster implementation of cell reaction findings in the material concept.
From the point of view of materials science, bone is an evolutionary composite material with outstanding mechanical and biological properties, consisting of organic and inorganic non-metallic components with a hierarchical structure. Collagen I and hydroxyapatite are its main components. In addition, however, there are a number of calcium phosphate structures and traces of foreign ions as well as non-collagenous proteins, whose action in the course of mineralization is poorly understood so far. The temporal sequence, the multitude of components involved and the cellular control result in an extensive variety of parameters, some of which elude a definitive cause-effect description by compensatory mechanisms. However, a discussion of bone structure is essential for orientation to the natural model. In addition, knowledge of the cellular response to extracellular influences is required for biomaterial characterization and suitable material modification.
The researched material concept is characterized in detail in vitro and the material selection for the first in vivo application within the Transregio 79 in the osteoporotic rat model is discussed. The final summary brings together the partial findings and provides an outlook for further material development based on biomimetically mineralized organic macromolecules.:Danksagung
Eigenständigkeitserklärung
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand des Wissens
2.1 Biomineralisation und Selbstorganisation: Der Knochen
2.1.1 Organische Knochenbestandteile: Kollagen und Osteocalcin
2.1.2 Anorganik des Knochens
2.1.3 Hierarchischer Aufbau des Knochens
2.1.4 Knochenzellen und die Knochenremodellierung
2.1.5 Physiologische Bedeutung von Calcium und Strontium
2.2 Materialien und Werkstoffe für den Knochenersatz
2.2.1 Synthetische Calciumphosphate
2.2.2 In vitro Mineralisation von organischen Makromolekülen
2.2.3 Bioaktivität von Knochenersatzmaterialien
2.2.4 Natürliche Knochenersatzmaterialien
2.2.5 Artifizielle Knochenersatzmaterialien
2.3 Zusammenfassung
3 Materialien und Methoden
3.1 Dual-Membran-Migrationsmethode und Doppelmigrationsmethode
3.1.1 Kollagenaufreinigung
3.1.2 Resuspendierung und Fibrillogenese des Tropokollagens
3.1.3 Dual-Membran-Migrationsmethode
3.1.4 Doppelmigrationsmethode
3.2 Fällungsreaktion im Batch-Prozess
3.2.1 Mineralpräzipitation – Mineralisation und Reifung
3.2.2 Mineralverarbeitung zur Probekörperherstellung
3.3 Charakterisierung und Analysemethoden
3.3.1 Strukturanalytik
3.3.2 Morphologische Untersuchungen
3.3.3 Mechanische Charakterisierung
3.3.4 Glühverlust
3.3.5 Optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP OES)
3.3.6 Dichte und Porosität
3.3.7 Degradation in physiologische Lösungen: Bioaktivität, pH Wertmessung und Masseänderung
3.3.8 Kultivierung von humanen mesenchymalen Stammzellen und humanen Monozyten
3.3.9 Biochemische Untersuchungsmethoden
3.4 Statistische Auswertung
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Analytik humanen Knochens
4.1.1 Transmissionselektronenmikroskopische Analyse
4.1.2 Hypothese der Kollagenmineralisation
4.2 Dual-Membran-Migrationsmethode: (Tropo-)Kollagen mit poly Asparaginsäure und Osteocalcin
4.2.1 Mineralisation von Kollagenscaffolds, suspendiertem fibrillärem Kollagen und Tropokollagen
4.2.2 Erkenntnisse aus der in vitro Mineralisation mittels DM3
4.3 Zusammenfassung zur Hypothese der in vivo Kollagenmineralisation mit in vitro Vergleich
4.4 Doppelmigrationsmethode: Mineralisation von Gelatine
4.4.1 Struktur der gebildeten Calciumphosphatphasen
4.4.2 Degradation der mineralisierten Gelatine
4.4.3 Untersuchung des Zellverhaltens in der Osteoblasten/Osteoklasten-Co-Kultivierung
4.4.4 Diskussion des ormoHAp-Aufbaus und der Einflussnahme auf die hMSC/Monozyten-Co-Kultur
4.5 Fällungsmethode: Mineralisierung von phosphatvorstrukturierter Gelatine durch Calciumphosphate
4.5.1 Kristallstruktur und Materialcharakterisierung
4.5.2 Analyse der mechanischen Eigenschaften, des Degradationsverhaltens und der Bioaktivität
4.5.3 In vitro Biokompatibilität von verpresstem gelatinemodifizierten Calciumphosphat
4.5.4 Zusammenfassung der Analytik des gelatinemodifizierten Calciumphosphats
4.6 Fällungsmethode: Mineralisierung von phosphatvorstrukturierter Gelatine in Gegenwart von Calcium- und Strontiumionen
4.6.1 Charakterisierung der gelatinemodifizierten Calcium-/Strontiumphosphate
4.6.2 Probekörperherstellung
4.6.3 Eigenschaften des Biomaterials: Degradation und in vitro Biokompatibilität
4.6.4 Untersuchung der in vitro Biokompatibilität von gelatinemodifizierten Calcium-/Strontiumphosphaten
4.6.5 Erste Resultate der in vivo Implantation im Femurdefekt osteoporotischer Ratten
5 Zusammenfassung
6 Ausblick
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Quellenverzeichnis
Anhang
A1 Aufbereitungs- und Testchemikalien
A2 Zellkulturmaterialien
A3 Puffer und Lösungen
A4 Technische Geräte, Hilfsmittel und Verbrauchsmaterialien
Eigene Publikationen und Mitautorschaften
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:74209 |
| Date | 19 March 2021 |
| Creators | Kruppke, Benjamin |
| Contributors | Alt, Volker, Wenisch, Sabine, Worch, Hartmut, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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