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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie, 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie und Unfallchirurgie

25. - 28.10.2011, Berlin

Biomimetische Calciumphosphat-Biokeramiken mit parallel orientierten Kanalporen: ein Knochenersatzmaterial mit Osteonen-artiger Mikrostruktur

Meeting Abstract

  • M. Gelinsky - Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebe, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, TU Dresden, Dresden, Germany
  • R. Dittrich - Institut für Elektronik- und Sensormaterialien, TU BA Freiberg, Freiberg, Germany
  • A. Bernhardt - Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebe, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, TU Dresden, Dresden, Germany
  • F. Despang - Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebe, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, TU Dresden, Dresden, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 25.-28.10.2011. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2011. DocGR21-535

DOI: 10.3205/11dkou534, URN: urn:nbn:de:0183-11dkou5345

Veröffentlicht: 18. Oktober 2011

© 2011 Gelinsky et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Das Knochengewebe ist ein hochgradig anisotropes Material; die dominierende Struktur des kortikalen Knochens ist die der Osteone. Bei den Osteonen handelt es sich um die von Osteoblasten aufgefüllten Resorptionskanäle, welche während der Knochen-Remodellierung von Osteoklasten erzeugt wurden. Fragestellung war, ob durch Anwendung der Methode der gerichteten ionotropen Gelbildung von Alginat-basierten Kompositmaterialien Calciumphosphat-Biokeramiken erzeugt werden können, welche die anisotrope Osteonen-Struktur des kompakten Knochens auf der Mikrometerskala nachbilden.

Methodik: Durch gerichtetes Eindiffundieren von Calciumionen in Hydroxylapatit-haltige Alginat-Sole können Verbundwerkstoffe mit parallel orientierten, kanalförmigen Poren erzeugt werden. Durch Ausbrennen der Biopolymerphase bei 650°C entstehen reine, nanokristalline Calciumphosphat-Biokeramiken, wobei die anisotrope Porenstruktur vollständig erhalten bleibt. Die so erzeugten Materialien wurden eingehend charakterisiert, wobei die Eigenschaften über die Zusammensetzung und das gewählte Temperaturregime in weiten Grenzen eingestellt werden können. In Zellkulturexperimenten mit hMSC wurde die Biokompatibilität in vitro nachgewiesen sowie das Zellverhalten untersucht. Im Rahmen einer Pilotstudie wurde durch Implantation in einen rein kortikalen Knochendefekt im Kaninchenfemur außerdem das Verhalten in vivo analysiert, wobei die Porenkanäle längs zur Knochenachse orientiert wurden.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Durchmesser der parallel orientierten Kanalporen der neuartigen Hydroxylapatit-Biokeramiken lassen sich durch geeignete Prozessparameter in einem Bereich zwischen 50 und 150 µm einstellen. Die Druckfestigkeit liegt bei ca. 4,5 MPa und ist damit vergleichbar mit der von trabekulärem Knochen. In Besiedlungsexperimenten mit hMSC konnte zwar nur eine geringe Besiedlungseffizienz erreicht werden; einmal adhärent gewordene Zellen proliferierten dann aber kontinuierlich über einen Zeitraum von 28 Tagen. Bei Zusatz von osteogenen Differenzierungszusätzen wurde ein Anstieg der spezifischen Aktivität des Enzyms Alkalische Phosphatase mit einem typischen Maximum am Tag 14 beobachtet. Die Implantation der Biokeramiken in einen rein kortikalen Defekt im Kaninchenfemur führte zu einer raschen Knochen-Integration und zum Einwachsen von mineralisiertem Gewebe in die kanalförmigen Poren. Zu dieser günstigen Gewebereaktion mag die nanokristalline Oberflächenstruktur der nicht-gesinterten Calciumphosphat-Biokeramiken beigetragen haben, welche jener der Knochen-Extrazellulärmatrix nahekommt.

Das Verfahren der gerichteten ionotropen Gelbildung, gefolgt vom Ausbrennen der organischen Phase erlaubt die Herstellung von biokompatiblen Calciumphosphat-Keramiken, welche im biomimetischen Sinne die Mikrostruktur des kortikalen Knochens abbilden. Das neuartige Knochenersatzmaterial besitzt ein großes Potential hinsichtlich der Therapie von Knochendefekten, aber auch als Trägerstruktur für das Tissue Engineering.