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Biomaterial

Biomaterial

Die Implementierung biomimetischer Prozesse wird für die Entwicklung innovativer Knochenersatzmaterialien genutzt. Die Synthese von zellulär strukturierten Materialien mit hierarchischer Porosität ist eng mit den medizinischen Anforderungen an Knochenkonstitutionsmaterialien verknüpft. Der ausschlaggebende Vorteil von nanoskaligen mikroporösen Calciumphosphaten (CaP), die in einem anderen makroporösen System (Ø 0,1 bis 1 mm) organisiert sind, hängt mit deren hervorragenden Resorptionseigenschaften und der beschleunigten Knochenbildung in vivo zusammen.

Die Phasenzusammensetzung von CaP-Pulvern, CaP-Keramiken und hydratisierten CaP-Zementen kann über die Rietveld-Verfeinerung von XRD-Daten quantifiziert werden. Der Zusammenhang zwischen mechanischer Festigkeit und mineralogischer Phasenzusammensetzung ist oft entscheidend im Einsatz. Der Einfluss biokompatibler Additive auf die Hydratation und Festigkeit wird mit einer Kombination aus Wärmeflusskalorimetrie und in-situ-XRD bei 37 ° C (Körpertemperatur) analysiert.

 

Apatit-Struktur von Wilson et al. (1999) gezeichnet mit VESTA

 

In einer porösen CaP-Keramik gebildete Kristalle von Tri-Calcium

 

Prof. Dr. F. Goetz-Neunhoeffer, Dr. K. Hurle

Osteokonduktive Biomaterialien – mechanische Wechselwirkung von Endothelzellen auf funktionalisierten Oberflächen

Die Entwicklung und Verbesserung von osteokonduktiven Biomaterialien für Implantate bei optimierter physiologischer Verträglichkeit, Funktionalität und hohem Potenzial für die Knochenregeneration steht im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten der Mineralogie mit den Arbeitsgruppen aus Material-, Naturwissenschaft und Medizin. Die hergestellten Materialien basieren auf Idee einer biomimetisch kontrollierten Materialorganisation. Bioaktive Keramikmaterialien mit hierarchisch strukturierten Poren werden synthetisiert (Mineralogie) und anschließend die Oberflächen mit Schichten osteokonduktiver Substanzen modifiziert (WW Glas & Keramik). Die funktionalisierten bioaktiven zellulären Biomaterialien werden sowohl hinsichtlich der Zellmechanik und der Prozesse zwischen den Zellen und anorganischen Material untersucht und bewertet, um die Biofunktionalität weiter zu verbessern (BioMed Physik).

 

Mikro-C-Aufnahme einer zellulären CaP Biokeramik

 

 

REM-Aufnahme eines synthetischen Apatits in CaP Biokeramik

 

Bioreaktor zur Untersuchung der Zellmigration in einem zellulären Biomaterial

Calciumphosphatzemente

Calciumphosphatzemente (CPCs) werden aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität in der Medizin als Knochenersatz eingesetzt. Beim Einsatz werden reaktive Calciumphosphatmineralien, wie z.B. Tricalciumphosphat (TCP), mit einer wässrigen Mischflüssigkeit gemischt. Dies führt zur Ausfällung der weniger löslicher Hydratphasen Brushit oder Hydroxylapatit. Entsprechend der Hydratationsprodukte können CPCs in zwei verschiedene Typen unterteilt werden: Apatit- oder Brushit-Zemente. CPCs haben den immensen Vorteil, dass sie leicht an die Defektstelle angepasst werden können. Aufgrund ihrer noch nicht zufriedenstellenden mechanischen Festigkeit und Sprödigkeit ist ihre Anwendung derzeit auf nicht tragende Defektstellen beschränkt.

CPCs können mit verschiedenen Additiven modifiziert werden, um ihre für die klinische Anwendung relevanten Eigenschaften, wie Abbindezeiten, mechanische Festigkeit, Injektionsfähigkeit und biologische Abbaubarkeit zu verbessern. In der Erlanger Angewandten Mineralogie konzentrieren wir uns auf CPCs und deren Interaktion mit verschiedenen Additiven, z.B. Polymeren, Phytinsäure oder Dotierungen mit Cu, Zn oder Mg. Die Hydratisierung der Zemente wird hauptsächlich mit isothermer Wärmeflusskalorimetrie, in-situ-XRD und in-situ-1H-NMR bei 23°C und 37°C untersucht.

In-situ XRD of alpha-tricalcium phosphate (alpha-TCP) hydration under formation of calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA).