Endkonturnahe Herstellung eines offenporigen Knochenersatzmaterials aus Calciumphosphat und Kollagen mit dem Freeze Gelation Process
Final Report Abstract
Ziel dieses kooperativen Forschungsprojektes war die Herstellung eines offenporigen, endkonturnahen, degradierbaren, bioaktiven und bioresorbierbaren Knochenersatzmaterials mittels des von den Antragstellern entwickelten Freeze Gelation Process (FGP, Gefriergelierverfahren). Es wurden zwei verschiedene Prozessrouten verfolgt, die beide dieses Verfahren nutzen, um ebendiese endkonturnahen, offenporösen Formkörper zu erhalten. Der erste Ansatz betrachtet dabei im Wesentlichen mehrphasige Systeme aus Hydroxylapatit (HAp) und Silica-Sol (SiO2) mit an den Prozess anschließender Sinterung. Allein durch die Wahl des SiO2- Gehaltes, sowie der Sinterbedingungen war es möglich die Phasenzusammensetzung, sowie Gefügestruktur nach dem Sintern derart kontrolliert zu bestimmen, dass dadurch eine präzise Steuerung der gewünschten Resorbierbarkeit der Keramiken realisiert wurde. Auch die Möglichkeit einer einstellbaren Porengröße und Porosität konnte dadurch gewährleistet werden. Der zweite verfolgte Ansatz wurde durch einen weiteren wesentlichen Vorteil des Gefriergelierverfahrens ermöglicht. Dadurch gelang es nun erstmals, handelbare größere Formkörper mit homogen verteilten aktiven Proteinen innerhalb der ganzen Probe zu erhalten, die ohne Sintern, und einem damit verbundenem zusätzlichen Aufwand und Energiekosten, bezüglich Porosität und mechanischer Festigkeit den Werten der menschlichen Spongiosa entsprechen. Durch die homogene Verteilung der Proteine im Komposit, konnte eine deutlich höhere Bioaktivierung erzielt werden, wie es bei der derzeit in gängigen Verfahren verwendeten Infiltration oder Beschichtung der Keramiken nach dem Sinterprozess der Fall ist. Dass sich das Gefriergelierverfahren bezüglich Bioaktivität und Bioresorbierbarkeit, unabhängig von der Wahl der Prozessroute, besonders gut für den Einsatz im biomedizinischen Bereich eignet, zeigen auch die guten Ergebnisse der in vitro bzw. in vivo Untersuchungen innerhalb dieses Forschungsprojektes. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass im Rahmen dieses kooperativen Forschungsprojektes das Gefriergelierverfahren als neuartige Methode zur Herstellung endkonturnaher, offenporiger, sowie bioaktiver und bioresorbierbarer Keramikkomposite erfolgreich etabliert werden konnte. Neben dem Einsatz als Knochenersatzmaterial konnte auch die erfolgreiche Umsetzung der Ergebnisse dieses Projektes in ein zukunftsfähiges Produkt, am Beispiel einer Knochenschraube zur operativen Fixierung eines Kreuzbandersatzes am Knie, erzielt werden. Die im Rahmen dieses Kooperationsprojektes erzielten Ergebnisse stellen einen weiteren wesentlichen Schritt zur Etablierung des Freeze Gelation Process zur einfachen Herstellung und Formbarkeit offenporöser, degradierbarer und endkonturnaher Keramiken da, die sich zudem durch eine gute Handhabbarkeit und ausreichender Bauteilfestigkeit der Endprodukte auszeichnen. Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersuchte Herstellung von Knochenersatzmaterial aus Calciumphosphat und Proteinen ist nur eine Möglichkeit zur Nutzung dieser Herstellungsmethode. Zahlreiche weitere Anwendungsfälle sind denkbar. Exemplarisch ist dabei, der Einsatz der hier entwickelten degradierbaren Komposite als Trägerstruktur für pharmazeutische Wirkstoffe im Bereich des Drug Release zu nennen. Die Grundlagenentwicklung hierzu soll sich aus diesem Gemeinschaftsprojekt ergeben. Darüber hinaus wurde, im Rahmen dieses Projektes für die Validierung des Verfahrens zur Herstellung komplexer Geometrien eine Nachbildung einer Titan-Knochenschraube ausgewählt. Aufgrund des großen Erfolges, wird diese Entwicklung derzeit von den Antragstellern in weiteren Projekten fortgeführt. Die Erkenntnisse sollen bei entsprechender Eignung auch auf weitere bioresobierbare Fixierungsbauteile für die reparative Knochenchirurgie (z.B. Schulteranker) ausgeweitet werden. Auch im nicht-biomedizinischen Bereich, überall dort wo offenporige Bauteile mit einer feinen Struktur benötigt werden, kann das Gefriergelierverfahren unter Umständen eingesetzt werden. Dabei ist auch der Einsatz anderer Keramiken und weiterer Zusätze (z.B. unterschiedliche Biomoleküle) möglich. Beispielhaft ist der Einsatz von derart hergestellten, vollständig degradierbaren Trägersubstanzen für Startkulturen in Reaktoren bei biotechnologischen Anwendungen oder für Katalysevorgänge die ihre Anwendung beispielsweise in der Lebendmittelindustrie finden vorstellbar.
Publications
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Hydroxyapatite/SiO2 Composites via Freeze Casting for Bone Tissue Engineering. Advanced Engineering Materials 2009;11(11):875-884
Blindow S, Pulkin M, Koch D, Grathwohl G, Rezwan K
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Bovine Serum Albumin and Lysozyme Adsorption on Calcium Phosphate Particles. Advanced Biomaterials 2010;12(1-2):B53-B61
Mueller B, Zacharias M, Rezwan K
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Dissertation: Entwicklung poröser Calciumposphat-basierter Biokeramiken im Gefriergelierprozess. Universität Bremen, Keramische Werkstoffe und Bauteile. 2011
Maxim Pulkin
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Silica Effect on Porous Calcium Phosphate Ceramics from the Freeze Gelation Route. International Journal of Applied Ceramic Technology 2011;8(6):1414-1424
Pulkin M, Koch D, Grathwohl G
