Synthesis, processing and in vivo degradation behaviour of magnesium phosphate minerals for bone replacement

• Applicants: Professor Dr. Uwe Gbureck; Professorin Dr. Anita Ignatius
• Subject Area: Dentistry, Oral Surgery ; Orthopaedics, Traumatology, Reconstructive Surgery
• Term: from 2011 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 196990445

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Im Projekt wurde das in vitro und in vivo Verhalten verschiedener, mineralischer Knochenzemente in Bezug auf ihr Resorptionspotential und die Knöcherne Regeneration untersucht. Als Matrices wurden Formulierungen, die sowohl Calciumhydrogenphosphat Dihydrat (CaHPO4·2H2O, Bruschit), als auch Magnesiumammoniumphosphat Hexahydrat (MgNH4PO4·6H2O, Struvit) bilden, in Abhängigkeit der Porosität eingesetzt. Als Referenz diente jeweils ein Zement aus α-Tricalciumphosphat, der zu gering löslichem, calciumdefizitärem Hydroxylapatit abbindet. Die Untersuchungen umfassten: (1) die Bestimmung der in vitro Zytokompatibilität anhand einer osteoblastären Zelllinie, (2) das in vitro Resorptionspotential durch Kultivierung von Raw 264.7 Makrophagen und deren Fusionierung zu Osteoklasten sowie (3) die orthotope und heterotope Implantation im Schafsmodell zur Ermittlung des in vivo Abbaus und der knöchernen Remodellierung. In vitro zeigte sich, dass bei Bruschit-Zementen dem zugesetzten Abbindeverzögerer biologisch eine maßgebliche Rolle zu Teil kommt. Speziell die gängiger Weise aufgrund sehr guter Materialcharakteristika verwendete Citronensäure erwies sich in Zellkulturuntersuchungen als zytotoxisch sowohl für osteoblastäre als auch osteoklastäre Zellen. Dies erklärt auch die Tatsache, dass wie beschrieben, Bruschitzemente im Versuch trotz der Abwesenheit eine Phasenumwandlung auch nach 10 Monaten Liegedauer im orthotopen Knochenlager nur geringfügig abgebaut wurden. Demgegenüber konnte für die neue Materialklasse der Struvit-Zemente eine nahezu quantitative knöcherne Remodellierung nach 10 Monaten beobachtet werden. Der Abbau der Zemente erfolgt dabei zweiphasig: initial (bis 4 Monate) wurde die Binderphase Struvit aus dem Zement gelöst, hiernach erfolgte dann die Auflösung der bei der Zementreaktion nicht umgesetzten Trimagnesiumphosphat (Farringtonit) Phase.

Publications

• In vivo degradation of low temperature calcium and magnesium phosphate ceramics in a heterotopic model. Acta Biomaterialia 2011;7:3469-75
  Klammert U, Ignatius A, Wolfram U, Reuther T, Gbureck U
  
• Control of in vivo mineral bone cement degradation, Jahrestagung der European Society for Biomaterials (ESB) 2013, Madrid
  Kanter, B.; Geffers, M.; Ignatius, A.; Gbureck, U.
  
• In Vivo-Resorptionsverhalten von Calciumund Magnesiumphosphat-Zementen, BioNanoMaterials 14 (2013), P62
  B. Kanter, M. Geffers, U. Gbureck, A. Ignatius
  
• Control of in vivo mineral bone cement degradation. Acta Biomaterialia 2014, 10, (7), 3279-3287
  Kanter, Britta; Geffers, Martha; Ignatius, Anita & Gbureck, Uwe
  
• In Vivo-Degradationsverhalten von Calcium- und Magnesiumphosphat-Zementen. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie (DKOU); 2014 28.-31. Oktober; Berlin
  Kanter, B.; Geffers, M.; Gbureck, U.; Ignatius, A.
  
• Mg:Ca ratio as regulating factor for osteoclastic in vitro resorption of struvite biocements. Mater Sci & Eng C, Materials Science and Engineering: C, Volume 73, 1 April 2017, Pages 111-119
  Blum, Carina; Brückner, Theresa; Ewald, Andrea; Ignatius, Anita & Gbureck, Uwe