Hydrothermale Umwandlung von porösen Ca-Carbonat Biomineralen in antibiotische und antiosteoporotische Ca-Phosphat-Knochenimplantat-Materialien mit eingelagerten Mg-, Sr-, Zn- und Ag-Ionen

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Joachim Kleebe
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261597544

Jährlich werden millionenfach Knochenimplantationen vorgenommen, um Knochendefekte nach Verletzungen oder Tumorresektionen zu schließen. Synthetische Calciumphosphat (CaP)-Materialien (meist Keramiken) werden häufig als Ersatz für Knochentransplantate eingesetzt. Chemische Ähnlichkeit mit Knochen gewährleistet Biokompatibilität, während Makroporosität ein festes Einbinden der CaP-Materialien ermöglicht durch das Einwachsen von Knochengewebe in die Poren. Da die mechanischen Eigenschaften der synthetischen Materialien generell denen von Knochen unterlegen sind, ist oft eine graduelle Resorption der CaP-Implantate bei gleichzeitigem Ersatz durch natürlichen Knochen erstrebenswert. Im menschlichen Körper ist Hydroxylapatit, die thermodynamisch stabilste CaP-Phase, kaum resorbierbar. Deshalb bestehen viele Implantate aus biphasigem Calciumphosphat (BCP), Kompositen aus Hydroxylapatit und dem löslicheren Tricalciumphosphat (ähnlich dem Mineral Whitlockit). Gegenüber Hydroxylapatit wird die Bildung von Whitlockit durch Mg-Ionen begünstigt. Während ein Whitlockit-haltiges Implantat abgebaut wird, werden darin enthaltene Mg-Ionen freigesetzt, was die Bildung von natürlichem Knochen stimuliert. Ebenso können Sr- und Zn-Ionen die Knochenbildung stimulieren und den Knochenabbau verlangsamen. Daher sind diese Ionen wichtig für die Behandlung von Knochenschwund und Frakturen im Zusammenhang mit Osteoporose. Der antibakterielle Effekt von Ag-Ionen hingegen kann potenziell genutzt werden, um Wundinfektionen während der Implantation zu vermeiden.Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von neuartigen antimikrobiellen und antiosteoporotischen BCP-Knochenimplantat-Materialien, hergestellt in einen einzigen hydrothermalen Prozess, um Hochtemperatur-Sintern zu vermeiden. Makroporöse Calciumcarbonat-Biominerale (Korallenskelette und Seeigelstacheln) werden pseudomorph durch BCP ersetzt, wobei die natürliche Porosität erhalten bleibt. Es wird eine geeignete Methode entwickelt, um funktionelle Ionen (Mg, Sr, Zn und Ag) simultan während der hydrothermalen Mineralumwandlung in die BCP-Materialien einzubringen. Resultierende Materialien werden detailliert auf ihre Dotierungsgehalte und -verteilungen untersucht. Zusätzlich werden Ionenkonzentrationen ermittelt, die durch die Zersetzung der BCP-Materialien in simulierter Körperflüssigkeit freigesetzt werden. Diese Konzentrationen werden für die Stimulation von Knochenbildung optimiert (publizierten Werten entsprechend), indem die Ionengehalte der BCP-Materialien durch Modifikation der Herstellungsparameter angepasst werden. Antibakterielle Eigenschaften der Ag-modifizierten Materialien werden experimentell untersucht (Hemmung des Bakterienwachstums und der Bildung von Biofilmen) und ebenfalls optimiert. Aus diesem Forschungsprojekt soll eine effektive, neuartige Methode hervorgehen zur Herstellung von multifunktionellen BCP-Knochenersatzmaterialien als wertvolle Alternativen zu herkömmlichen CaP-Knochenimplantaten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Dr. Sabrina Fröls; Professorin Dr. Felicitas Pfeifer