Additive Fertigung personalisierter Knochenimplantate aus Calciummagnesiumphosphaten für human- und veterinärmedizinische Anwendungen

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Andrea Meyer-Lindenberg; Dr. Elke Vorndran
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Tiermedizin
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417069397

Gegenwärtig verfügbare Knochenersatzmaterialien aus Calciumphosphat (CaP) sind unter physiologischen Bedingungen oftmals wenig löslich und heilen unter Ausbildung eines osseokeramischen Regenerats ein. Besonders die Therapie segmentaler Defekte ist schwer möglich, da viele Werkstoffe meist wenig formstabil oder nur als einfach geformte Monolithe verfügbar sind und die geringe Resorption eine dauerhafte mechanische Abstützung durch Schienen erfordert. Um diesen Problematiken zu begegnen, sollen im Projekt rasch degradierbare magnesiumdotierte CaP-Zemente (CaMgP) mit einem additiven Fertigungsverfahren, dem 3D-Pulverdruck, zu personalisierbaren Knochenimplantaten mit einer bezüglich der Osteogenese optimierten Degradation verarbeitet werden. Ein hohes osteoregeneratives Potential der Biokeramiken wird aufgrund ihrer defektspezifischen Makrostruktur, knochenähnlichen Mikrostruktur und chemischen Zusammensetzung erreicht. Ausgangsstoffe sind Zementpulver der allgemeinen Zusammensetzung CaxMg3-x(PO4)2. Die Mg-Dotierung dient der Erhöhung der mechanischen Festigkeit; zudem soll das Ca:MgVerhältnis als Parameter zur Einstellung der Degradationsgeschwindigkeit genutzt werden. Die pulvergedruckten CaMgP-Strukturen werden gesintert, was zur Ausbildung eines hochfesten Gerüsts aus in vivo mäßig löslichen Phasen (Mg3(PO4)2, Ca3(PO4)2, Ca9 Mg(HPO4)6) führt. Durch Kontakt mit reaktiven Lösungen werden hierauf schnell lösliche Phasen (NH4MgHPO4*6H2O, MgHPO4*3H2O, CaHPO4*2H2O) abgeschieden. Dies soll zu quantitativ resorbierbaren Implantaten führen, die eine ausreichend lange und zur Knochenregeneration gegenläufige in-vivo-Stabilität aufweisen. Die CaMgP-Implantate werden sowohl werkstoffwissenschaftlich bezüglich ihrer mechanischen Kennwerte, chemischen Zusammensetzung, Mikrostruktur und Dimensionstreue als auch biologisch analysiert. Die chemische und zelluläre Löslichkeit und das osteogene Potential werden in vitro mit Hilfe humaner Osteoblasten und humaner Osteoklasten analysiert und in vivo im Kaninchenmodell validiert. Die Implantate werden sowohl im unbelasteten Defekt (Bohrloch Femurkondyle), als auch im segmentalen belasteten Defekt (proximale Tibia) bezüglich des Degradationsverhaltens und der Ausheilung des Defektareals untersucht. Die Charakterisierung des Knochen-Implantat-Verbundes erfolgt mit Hilfe von Röntgen- und in vivo-µCT-Untersuchungen über bis zu 44 Wochen, sowie ex vivo in immunhistologischen und mikroskopischen Untersuchungen. Auf Grundlage der Ergebnisse aus den in vitro und in vivo-Studien soll die optimale Zusammensetzung eines Knochenimplantats für segmentale Defekte bestimmt werden. Das medizinische Potential des entwickelten Knochenimplantats für human- und tiermedizinische Anwendungen soll final in einem tiermedizinischen individuellen Heilversuch belegt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen