Herstellung und Charakterisierung von Calciumphosphat Keramikfasern für den Einsatz in der Knochenrekonstruktion

Abstract

Die Produktvielfalt biokeramischer Implantatmaterialien zur Knochenrekonstruktion hat während der letzten Jahrzehnte rasant zugenommen, das in allen Eigenschaften optimale Gerüstmaterial bleibt bis dato jedoch noch unerreicht. Einer der Ansätze, diese Lücke zu schließen, ist das Generieren von dreidimensionalen Gerüstmaterialien mit knochenähnlichen Eigenschaften. Diese Mimikry der Knochenstruktur und –Zusammensetzung führt zu einem watteähnlichen, definiert offenporösen Material, das vollständig aus biokompatiblen Keramikfasern mit Durchmessern von 10 μm aufgebaut ist. Ein solches Material besitzt durch seine nahezu äquivalente chemische Zusammensetzung und sein flexibles Deformationsvermögen großes Potential für die Knochenrekonstruktion kleiner, schwer zugänglicher Fülldefekte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb Untersuchungen zur Herstellung oxydischer, keramischer Fasern des Systems Ca(OH)2/H3PO4/H2O und Ca(OH)2/H3PO4/H2O/Al(OH)3 durchgeführt. Diese Systeme sind durch ihre chemische Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften besonders zur Knochenrekonstruktion geeignet. Es wurden im Verlauf dieser Forschungsarbeit Spinnsysteme entwickelt, die über manuelle sowie maschinelle Spinnverfahren zu so genannten Grünfasern versponnen werden konnten. Den entwickelten Spinnsystemen sowie den generierten Grünfasermaterialien war gemein, dass sie sich aus einem polymeren, faserformenden Additiv und anorganischen Verbindungen zusammensetzten. Der Einsatz von Poly(ethylenoxiden) und Calciumchlorid sowie Phosphorsäure lieferte Spinnsysteme auf wässrig-alkoholischer Basis. Die PEO-Systeme konnten sowohl über Spritzenextrusion, als auch über einen Rotationsspinnprozess zu Grünfaserwatten verarbeitet werden. Die so erhaltenen Grünfasern bzw. Grünfaserwatten wurden bezüglich ihrer Zusammensetzung und Morphologie untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Grünfasern aus einer bindenden, faserformenden PEO-Polymermatrix und zwei kristallisierten, leichtlöslichen Calciumphosphaten zusammensetzen. Bei diesen plättchenförmigen, keramischen Präkursorverbindungen handelte es sich um Ca2(H2PO4)2Cl2 sowie Ca(H2PO4)Cl. Diese Ausgangsverbindungen konnten mit Ausbeuten bis zu 40 Gew.-% unter Pyrolyse des polymeren Spinnadditivs zur TCP bzw. (Cl/OH)Ap-Keramik unter Erhalt der Faserstruktur umgesetzt werden. Es konnten auf diesem Weg erstmals keramische CaP-Fasern aus molekulardispersen Spinnsystemen über einen Direktprozess hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Umsetzung des Gemenges von Ca2(H2PO4)2Cl2 und Ca(H2PO4)Cl über mehrere anorganische Festköperreaktionen erfolgt, eine der Hauptphasen stellt dabei Calciumpyrophosphat dar. Die (Cl/OH)Ap-Hauptphase bildete sich ab einer Temperatur von 650 °C aus, die vollständige Umsetzung der Präkursorverbindungen ist bei einer Temperatur von ca. 1150 °C abgeschlossen. Die Korngrößen der (Cl/OH)Ap-Keramikfasern lagen in bekannten Dimensionen eines drucklosen Sinterprozesses von CaP-Keramiken von 500 nm bis 1 μm. Die so generierten TCP bzw. (Cl/OH)Ap-Keramikfaserwatten zeigten jedoch ungenügende Festigkeiten für den Einsatz als Gerüstmaterial zur Knochenrekonstruktion. Zur Optimierung des Gefüges der CaP-Keramikfasern und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften, wurden die Spinnsysteme und damit die Zusammensetzung der Endkeramik variiert. Erfolgreich Anwendung fand dabei Al2(OH)5Cl, das thermisch bei Temperaturen äquivalent zur Bildungstemperatur von (Cl/OH)Ap, zu Al2O3 umgesetzt werden kann. Die entwickelten Keramikfasersysteme wurden zu Probekörpern verarbeitet und auf ihre biologischen Eigenschaften überprüft. Durch das so beschriebene Verfahren konnten erstmals keramische Fasern auf Basis von Calciumphosphaten aus kostengünstigen, molekulardispersen Spinnsystemen in großem Maßstab hergestellt werden. Die gesponnenen Grünfasermaterialien konnten durch Kontrolle der thermischen Umsetzung zu CaP-Keramikfasern umgesetzt werden. Erste biologische Tests bestätigten das große Potential dieser Keramikfaserwatten für den Einsatz in der Knochenrekonstruktion. Die mechanischen Festigkeiten dieser CaP-Keramikfaserwatten sowie deren Porengrößen gilt es für weiterführende Arbeiten zu optimieren.

The variety of bioceramic products as implant materials for bone reconstruction has increased rapidly during the last decades, however, the optimal scaffold material with adequate properties still remains unmatched. One of the approaches to close this gap is to generate three-dimensional scaffold materials with bone-like properties. This mimicry of the bone structure and composition results in a structural similar non-woven, open porous material with defined porosity, which is composed entirely of biocompatible ceramic fibers having diameters of 10 microns. Such a material has a nearly equivalent chemical composition and should be, combined with its flexible deformability, of great potential for the reconstruction of small bone defects or filling defects wich are difficult to access. In this work therefore studies on the production of oxide, ceramic fibers of the system Ca(OH)2/H3PO4/H2O and Ca(OH) 2/H3PO4/H2O/Al(OH)3 were performed. These systems are particularly suitable due to their chemical composition and mechanical properties of bone reconstruction. Suitable spin systems, which could be spun through manual and mechanical spinning processes into so-called green fiber materials were developed. These green fiber non-wovens were composed of a PEO polymer matrix and two crystalline, easily soluble calcium phosphates. These flaky, ceramic precursor compounds were Ca2(H2PO4)2Cl2 and Ca(H2PO4) Cl. The starting compounds could be converted into TCP or (Cl/OH)Ap ceramics with yields up to 40 wt -% (DSC/TG) after pyrolysis of the polymeric additive while maintaining the fiber structure. These new, molecularly-disperse spin systems could therefore be processed for the first time to CaP ceramic fiber non-woven materials. The resulting ceramic fibers were analyzed by scanning electron microscopy and X-ray powder diffractometry (XRD). It was shown that the reaction of the mixture of Ca2(H2PO4)2Cl2 and Ca(H2PO4)Cl via several inorganic solid state reactions with one of the main phases represents calcium pyrophosphate led to the (Cl/OH)Ap-main phase starting at a temperature of 650° C and completed at 1150°C. The grain sizes of (Cl/OH) Ap-ceramic fibers were of known dimensions in a pressureless sintering process of CaP ceramics from 500 nm to 1 micron. However, the thus generated TCP or (Cl/OH) Ap-ceramic fiber wadding showed insufficient strength for use as a scaffold material for bone reconstruction. Several approaches have been made to optimize the CaP ceramic fiber mechanical properties. The CaP ceramic fiber non-wovens were processed into test specimens and tested for their biological properties. By the method as described ceramic fibers could be produced on the basis of calcium phosphates from inexpensive, molecularly spin systems on a large scale for the first time. First biological tests confirmed the great potential of these ceramic fiber wadding for use in bone reconstruction. The mechanical strengths of these CaP ceramic fiber wadding and their pore sizes, it is for further work to optimize.