Dual härtende mineralische Zemente mit polymerisierbarer organischer Matrix aus degradierbaren Polymeren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dual-härtende Zemente aus anorganischer Mineralphase und einem in situ vernetzbaren Hydrogel zeichnen sich durch ein pseudoduktiles Bruchverhalten aus, waren aber bisher nur aus nicht bzw. sehr langsam degradierbaren Komponenten bekannt. Im Projekt sollten deshalb entsprechende Systeme aus unter in vivo Bedingungen abbaubaren Bestandteilen synthetisiert werden. Hierzu wurden Monomere aus einem PEG Gerüst mit Laktidspacern und Methacrylatfunktionalität synthetisiert und mit einem Bruschitbildenden Zementsystem kombiniert. Die so erhaltenen Komposite waren hochduktil, wobei allerdings kein verstärkender Effekt analog zu dual-härtenden Hydroxylapatit-Zementen erhalten wurde. Dagegen konnte sowohl bei Verwendung von Seidenfibroin-Lösung als auch einer Silicalösung in Verbindung mit Bruschitzement eine mechanische Verstärkungswirkung erreicht werden. Für beide Systeme ist dabei der pH- Wert der Zementpaste der Stimulus zur Vernetzung der Hydrogelphase. So kommt es bei Seidenfibroin durch den sauren pH-Wert zu einer Umwandlung von der löslichen „random-coil“- Struktur in die unlösliche ß-Faltblattstruktur, während der im Zuge der Zementreaktion ansteigende pH-Wert das Silicagel vernetzt. Der mechanische Verstärkungseffekt für die Seidenfibroin Komposite beruht dabei zum einen auf einer Selbstverdichtung der Zementpaste mit Porositätsverringerung sowie eine im ausgehärteten Komposit auftretende Vorspannung. Beide Effekte sind durch die Schrumpfung des Gels im pastösen bzw. ausgehärteten Zustand begründet. Für die Silicagel-Komposite konnte der nanoporöse Charakter des Gels auch in einer Verlangsamung der Wirkstoff-Freisetzung demonstriert werden. Die Komposite wurden jeweils auch zellbiologisch getestet, wobei die oftmals verbesserte Zytokompatibilität mit einer verringerten Freisetzung von Phosphationen in das Kulturmedium korrelierte. In einem weiteren Ansatz wurde die autokatalytische Vernetzung von Isocyanathaltigen Präpolymeren in der wässrigen Zementpaste zur Herstellung mineralisierter Hydrogele ausgenutzt. Hier zeigte sich modellhaft in Verbindung mit einem Hydroxylapatitzement ein großer Verstärkungseffekt mit Mineralgehalten, die durch einfache Zugabe des nanokristallinen Apatits nicht erreicht werden konnten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Dual-setting brushite-silica gel cements, Acta Biomaterialia 11 (2015) 467-76
M. Geffers, J.E. Barralet, J. Groll, U. Gbureck
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Reinforcement Strategies for Load-Bearing Calcium Phosphate Biocements, Materials 8 (2015) 2700-2717
M. Geffers, J. Groll, U. Gbureck
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Intrinsic 3D Prestressing: A New Route for Increasing Strength and Improving Toughness of Hybrid Inorganic Biocements, Advanced Materials 29 (2017) 1701035
M. Schamel, J.E. Barralet, M. Gelinsky, J. Groll, U. Gbureck
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Simultaneous formation and mineralization of star-P(EO- stat-PO) hydrogels, Materials science & engineering C 75 (2017) 471-477
M. Schamel, J. Groll, U. Gbureck
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Highly flexible and degradable dual setting systems based on PEG-hydrogels and brushite cement, Acta Biomaterialia 79 (2018) 182–201
M. Rödel, J. Tessmar, J. Groll, U. Gbureck
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Simultaneous structuring and mineralization of silk fibroin scaffolds, Journal of Tissue Engineering 9 (2018)
M. Roedel, K. Baumann, J. Groll, U. Gbureck
