Knochenzemente mit einstellbarer Löslichkeit aus Zwischenoxid-haltigen Gläsern und verzweigten Polycarboxylaten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Delia Brauer; Professor Dr. Felix H. Schacher
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271153954

Knochenzemente werden als Knochenfüller (z.B. in der Vertebro-/Kyphoplastie) oder zur Befestigung von metallischen Implantaten (z.B. Hüftimplantate) eingesetzt. Momentan eingesetzte Materialien, wie Acrylatzemente (z.B. Poly(methylmethacrylat), PMMA) oder Calciumphosphat- (CaP) zemente haben jedoch wesentliche Nachteile. Acrylatzemente härten über eine exotherme Polymerisation aus (und können dabei anliegendes Gewebe schädigen), bilden keine direkte Bindung zum Knochen aus (Haftung nur über Verzahnung) und sind nicht bioaktiv (d.h. sie verwachsen nicht direkt mit dem Knochen sondern werden von einer Bindegewebsschicht eingekapselt). Zusätzlich wäre es besonders für Anwendungen als Knochenfüller interessant, resorbierbare Zemente einzusetzen, um Knochen zu regenerieren anstatt nur zu ersetzen. Glasionomerzemente (die durch eine Neutralisation zwischen einem säurelöslichen Glas und einer polymeren Säure aushärten) werden routinemäßig in der Zahnmedizin eingesetzt, haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und binden chemisch an Hartgewebe (Knochen und Zähne) sowie chirurgische Metalle. Die Abgabe von Aluminiumionen aus dentalen Ionomerzementen schränkt jedoch ihren Einsatz als Knochenzemente stark ein, und die Entwicklung von Al-freien Alternativen scheiterte bisher an dem begrenzen Wissen zur Säurelöslichkeit von Al-freien Gläsern sowie der Notwendigkeit von polymeren Säuren, die die Herstellung von mechanisch stabilen aber resorbierbaren Zementen ermöglichen. Das Ziel dieses Projekts ist die Synthese und Charakterisierung neuer Knochenzemente aus Aluminium-freien, säurelöslichen Gläsern und verzweigten, teils resorbierbaren Polycarboxylaten mit mechanischen Eigenschaften (Druckfestigkeit, E-Modul, Adhäsion an Metall und Knochen) geeignet für den Einsatz an nicht-lasttragenden (und potentiell auch lasttragenden) Stellen. Dazu werden aluminiumfreie Gläser synthetisiert, die Zwischenoxide (hauptsächlich MgO) enthalten, und ihre Löslichkeit unter den relevanten pH-Bedingungen (pH 1 bis 8) charakterisiert. Strukturuntersuchungen an den Gläsern werden durchgeführt, um Zusammenhänge zwischen der Glaszusammensetzung, Glasstruktur und dem Löslichkeitsverhalten zu verstehen, um letzteres zukünftig vorhersagen und gezielt einstellen zu können. Für die Polymerkomponente der Knochenzemente werden neuartige, hochverzweigte Polycarboxylate durch freie radikalische Polymerisation hergestellt. Durch das Verhältnis Itaconsäure/Methacrylsäure lässt sich die Ladungsdichte variieren, wohingegen die Wahl des Quervernetzers den Vernetzungsgrad und die Ketten-Ketten Abstände bestimmt. Zudem gewährleistet die Herstellung und Verwendung eines auf Glykolsäure basierenden bifunktionalen Vernetzers die kontrollierte Hydrolyse der Polycarboxylate unter physiologischen Bedingungen und ebnet den Weg zu resorbierbaren Knochenzementen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Anja Träger