Biokompatibilität, Biodegradation, Vaskularisierung und Osteointegration von Calcium-Phosphat-Keramiken in Abhängigkeit der Phosphatstruktur
Final Report Abstract
Im Rahmen der Materialentwicklung wurden Keramiken mit signifikant unterschiedlichen Anteilen der Hauptphase Orthophosphat und den Nebenphasen Di- und Methaphosphat hergestellt. Zur Herstellung der Scaffolds im 3D-Druckverfahren zeigten sich Korngrößen zwischen 45-90µm von Bruchgranulaten als geeignet. Die spezifischen Oberflächen der Granulate nehmen mit zunehmendem Anteil an Diphosphaten signifikant ab. Des Weiteren nimmt die Druckfestigkeit der Proben mit zunehmendem Anteil an Di- und Metaphosphaten signifikant zu, die Porosität hingegen nimmt signifikant ab. Die reine Orthophosphatkeramik bietet die geringste Druckfestigkeit und gleichzeitig die höchste Porosität. In den Löslichkeitsversuchen nach ISO EN DIN 10993-14:2001 zeigten die di- und metaphosphathaltigen Proben eine deutlich erhöhte Löslichkeit gegenüber der reinen Orthophosphatkeramik. Keines der in vivo untersuchten Scaffolds zeigte nach Implantation eine relevante Entzündungsreaktion. Damit sind alle Scaffolds als biokompatibel zu bewerten. Allerdings konnte in den Mikrozirkulationsanalysen lediglich eine geringe Neoangiogenese nachgewiesen werden. Keines der Scaffolds führte zu einer stabilen Überbauung eines critical size Defektes im Femur der CD-1 Maus. Mit sinkendem Anteil an Di- und Metaphosphat war jedoch eine signifikante Erhöhung der Zellimmigration und osteokonduktive Eigenschaften nachweisbar. Zusätzlich zeigte sich mit sinkendem Anteil an Di- und Metaphosphaten eine signifikant erhöhte in vivo Degradation, was im Gegensatz zu den Löslichkeitsversuchen in vitro steht. Osteoinduktive Eigenschaften konnten in keinem der getesteten Scaffolds beobachtet werden. REM Analysen der Oberflächeninteraktion mit Osteoblasten zeigten eine verminderte Anzahl adhärenter Osteoblasten mit steigendem Di- und Metaphosphatgehalt. Die Oberflächen der Scaffolds zeigten eine zerklüftete Mikrostruktur, an der es den Osteoblasten nur unter Ausbildung langer Filopodien gelang sich anzuheften. Die weniger raue Oberfläche der Keramik 401545(40) erlaubte das Anheften einer deutlich höheren Anzahl an Osteoblasten. Die Zellproliferation war dabei begünstigt. Mikrobewegungen im Interface zwischen Scaffold und Knochen bewirkten eine signifikant erhöhte Zellimmigration nach 25 Wochen Beobachtungszeit und förderten die Osteointegration der Scaffolds. Somit konnte eine signifikante Erhöhung der Rotationsteifigkeit erreicht werden.
Publications
-
3-D Printed Bioactive Bone Replacement Scaffolds of Alkaline Substituted Ortho-Phosphates Containing Meta- and Di-Phosphates; Key Engineering Materials, Vols. 529-530, pp. 138-142, Nov. 2012
F. Dombrowski, P.W. G. Caso, M.W. Laschke, M. Klein, J. Günster, G. Berger
-
Mechanical and biological characterization of alkaline substituted orthophosphate bone substitutes containing meta- and diphosphates. Biomedical Materials, Volume 12, Number 5. Published 25 September 2017
M. Klein, M.W. Laschke, Jörg H Holstein, Tina Histing, T. Pohlemann, M.D. Menger, P. Garcia
