Third party funded individual grant
Start date : 01.03.2017
End date : 29.02.2020
Extension date: 31.05.2020
Bei der medizinischen Anwendung von Calciumphosphatzementen (CPCs) werden zunehmend minimal-invasive Eingriffe angestrebt, bei denen der Zement direkt in den Defekt injiziert wird. Problematisch ist dabei oftmals die Phasenseparation von fester und flüssiger Zementphase (filter-pressing). Das beantragte Forschungsprojekt befasst sich daher im ersten Teil mit der Modifizierung der Rheologie und damit der Injizierbarkeit von CPCs durch oberflächenladungstransferierende Additive. Ein bruschit- sowie ein apatitbildender CPC werden jeweils zur Einstellung einer geeigneten Rheologie mit Phytinsäure (IP6) bzw. Na-Phytat modifiziert. Die Chelatreaktion des IP6 mit Ca2+-Ionen aus der Zementlösung lässt zudem eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Zemente erwarten. Die Aushärtereaktion der Zemente wird mechanistisch mittels Wärmeflusskalorimetrie, zeitaufgelöster XRD, in-situ 1H-NMR, FTIR bzw. RAMAN-Spektroskopie sowie zeitaufgelösten Festigkeitsprüfungen untersucht, um ein detailliertes Verständnis des Aushärtemechanismus mit IP6 als Additiv zu erzielen. In einem zweiten Projektansatz werden wasserbasierte, präfabrizierte Zementpasten realisiert, deren Abbindereaktion durch das Enzym Pyrophosphatase initiiert wird. Diese sind aufgrund ihrer einfachen klinischen Anwendbarkeit von hoher praktischer Relevanz. Als Modellsystem wird zunächst eine Suspension von alphaTricalciumphosphat in Wasser mit Pyrophosphationen als Inhibitor der Hydratation untersucht. Die Hydratation wird dann durch Zugabe von Pyrophosphatase kontrolliert eingeleitet, wobei die inhibierenden Pyrophosphat- zu abbindebeschleunigenden Orthophosphationen gespalteten werden. Auf Grundlage der daraus erzielten Ergebnisse wird anschließend ein Struvit-bildender Magnesiumphosphat-Zement mit Zusatz von Seidenfibroin zur Zementflüssigkeit untersucht. Das Seidenfibroin sorgt durch seine Gelierung für außergewöhnliche Materialeigenschaften, die Injektion solcher Zementformulierungen wird jedoch durch die sehr schnelle Gelierung des Fibroins verhindert. Im vorliegenden Projekt wird daher als alternative Formulierung eine wässrige Suspension von Mg3(PO4)2 mit gelöstem Ammoniumpyrophosphat und Seidenfibroin untersucht. Durch Zugabe von Pyrophosphatase soll ebenfalls Orthophosphat produziert werden, welches die Bildung von Struvit sowie die Gelierung des Seidenfibroins kontrolliert einleiten soll. Abschließend ist die biologische Charakterisierung der in dieser Studie entwickelten Zementkomposite durch in vitro Versuche mit osteoblastären und osteoklastären Zelllinien vorgesehen, um die Zytokompatibilität der Komposite und deren grundsätzliche Eignung für die medizinische Anwendung sicherzustellen. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen das Verständnis der Abbindereaktion von mineralischen Knochenzementen derart erweitern, dass zukünftig Eigenschaften wie die Rheologie der Pasten sowie ein durch den Anwender stimuliertes Abbindeverhalten gezielter einstellbar sind.