Wechselwirkungsmechanismen von medizinischen Wirkstoffen mit Calciumphosphatzementen für die Anwendung als pharmakologisch aktiver Knochenersatzstoff

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Uwe Gbureck; Dr. Katrin Hurle
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327924663

Calciumphosphatzemente (CPCs) werden aufgrund ihrer ausgezeichneten Biokompatibilität zur Reparatur von Knochendefekten eingesetzt. Durch die Zugabe von medizinischen Wirkstoffen sind zusätzliche therapeutische Effekte möglich. So können durch Beimengung von Antibiotika bakterielle Infektionen eingedämmt werden. Die Zugabe von Zytostatika nach der Entfernung von Tumorgewebe kann das Risiko für ein Wiederaufflammen der Krebserkrankung minimieren. Antiosteoporotische Wirkstoffe wie Bisphosphonate können bei einer Fraktur die Knochenresorption hemmen. Die direkte Beimengung solcher Wirkstoffe zu den Zementen hat den Vorteil, dass diese unmittelbar vor Ort effektiv wirken und systemische Nebenwirkungen reduziert werden. Da eine Zulassung derartiger Komposite als Medizinprodukt aus regulatorischen Gründen praktisch unmöglich ist, soll klinischen Anwendern ermöglicht werden, zugelassene CPCs und Wirkstoffe individuell miteinander zu kombinieren. Medizinische Wirkstoffe können anwendungsrelevante Eigenschaften der Zemente wie das Hydratationsverhalten, die rheologischen Eigenschaften und die erzielten Festigkeiten nach Aushärtung beeinflussen. Umgekehrt können sich die Zemente auf die Wirksamkeit des jeweiligen Arzneistoffes auswirken, z. B. über ihren pH-Wert. Für eine erfolgreiche Anwendung derartiger Formulierungen ist es also essentiell, diese Wechselwirkungen im Detail zu verstehen. Daher werden in der geplanten Studie verschiedene Modellzemente, die klinisch verfügbaren CPCs nahekommen, mit Zugabe ausgewählter Antibiotika, Antiosteoporotika und Zytostatika charakterisiert. Die erste Beurteilung des Wirkstoff-Einflusses auf die Hydratation der CPCs erfolgt mittels Wärmeflusskalorimetrie. Mittels in-situ Röntgenbeugungsanalyse wird die Entwicklung des quantitativen Phasenbestands in den modifizierten Zementen im Detail erfasst. Dabei kommt eine externe Standardmethode, welche neben der Quantifizierung kristalliner Phasen auch die Quantifizierung von amorphem Anteil ermöglicht, zum Einsatz. Initiale und finale Aushärtezeiten werden über ein Imeter mit Gillmore-Nadelapparat bestimmt, zudem werden rheologische Eigenschaften und die Injizierbarkeit der Zementpasten analysiert. Tests mit Bakterienkulturen sollen Auskunft über die Effektivität der Antibiotika in den jeweiligen Zementsystemen geben, während die Wirksamkeit der Bisphosphonate und Zytostatika anhand entsprechender Zellkulturen ermittelt wird. Zudem wird die Freisetzung der Wirkstoffe quantitativ erfasst. Da von einer Korrelation der Freisetzungskinetik mit der Porosität der ausgehärteten Zemente auszugehen ist, werden zusätzlich Porositätsmessungen durchgeführt. Darüber hinaus werden die mechanischen Eigenschaften der ausgehärteten Zemente ermittelt. Am Ende der Studie soll dem klinischen Anwender auf Basis der Zementzusammensetzung und des Wirkstoffs eine verlässliche Auskunft bezüglich der Tauglichkeit und Effizienz als lokales Wirkstoffsystem gegeben werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Friedlinde Götz-Neunhoeffer