Synthese, Prozessierung und in vivo Abbauverhalten von Magnesiumphosphat-Mineralen für den Knochenersatz

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Uwe Gbureck; Professorin Dr. Anita Ignatius
• Fachliche Zuordnung: Zahnheilkunde; Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 196990445

Eine relativ neue Entwicklungsrichtung im Bereich der Knochenersatzmaterialien sind Magnesiumphosphat-Minerale, wobei für eine Vielzahl der Verbindungen bisher nur wenig bezüglich ihres Abbaus im orthotopen Implantatlager und der damit einhergehenden knöchernen Regeneration bekannt ist. Ebenso fehlen für die meisten Minerale Prozesstechniken zur Überführung in geeignete Anwendungsformen (z.B. Zemente, Granulate, Formkörper) für den Knochenersatz. Das Projekt soll hier ansetzen und in einem ersten Schritt entsprechende Prozessbedingungen zur Darstellung von Magnesiumphosphat-Mineralen wie Struvit, K-Struvit, Bobierrit, Dittmarit oder Cattiit mit einstellbarer Partikelgröße und Phasenzusammensetzung evaluieren. Von zentralem Interesse für die spätere Anwendung sind dabei das Löslichkeitsprodukt und die Lösungsrate der Verbindungen unter physiologischen Bedingungen, sowie mögliche Änderungen der Phasenzusammensetzung im Kontakt zur extrazellulären Flüssigkeit. In einem zweiten Projektteil werden dann für die jeweiligen Minerale geeignete Anwendungsformen für den Knochenersatz dargestellt, wobei neben Granulaten auch Zementformulierungen untersucht werden, die die jeweiligen Minerale in Abhängigkeit der Zementpasten-Stöchiometrie und des pH-Werts bilden. Neben einer umfassenden materialwissenschaftlichen Charakterisierung erfolgen Versuche zur osteoklastären Resorption der Materialien. Durch Messung der ins Medium freigesetzten Menge an Mg2+ und Phosphationen wird hierbei die aktive zelluläre Resorption abgeschätzt. Auf Basis dieser Ergebnisse werden im dritten Projektteil insgesamt vier verschiedene Werkstoffe unterschiedlicher Zusammensetzung als Zementpaste und als Granulat in vivo im Schafmodell untersucht. Dazu werden die Granulate in ein Bohrlochdefektmodell in der Femurkondyle und die Zementpasten in ein partiell lasttragendes Defektmodell in der proximalen Tibia implantiert. Nach 2 und 4 Monaten Liegedauer werden die Explantate histologisch aufgearbeitet und die Qualität des Regenerats histologisch und biomechanisch getestet. Die Materialdegradation wird mittels XRD untersucht und quantifiziert und die Aufnahme von Magnesiumionen in den neugebildeten Knochen durch EDX Analyse bestimmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen