Bone cements with tailored solubility from intermediate oxide-containing glasses and branched polycarboxylates

• Applicants: Professorin Dr. Delia Brauer; Professor Dr. Felix H. Schacher
• Subject Area: Biomaterials
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 271153954

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Laufe des Projekts unser Verständnis vom Einfluss der Polymerarchitektur auf Aushärteverhalten und Eigenschaften von Glasionomerzementen deutlich verbessert wurde. Besonders interessant ist, dass sich eine Kombination von unterschiedlichen Polymerarchitekturen (z.B. linear & verzweigt) potentiell dafür einsetzen lassen, das Aushärteverhalten zu beeinflussen und so für Anwendungen maßzuschneidern. Zugang zu verzweigten Polyacrylsäuren variabler Molmasse und mit einstellbarem Grad an Verzweigung gelang auch in skalierbarem Maßstab über die Strathclyde-Methode. Die Verwendung alternativer Monomere wie bspw. Itaconsäure oder Vinylsulfonsäure gestaltete sich allerdings schwieriger, ebenso wie die im Antrag dargelegte Präparation von resorbierbaren verzweigten Polysäuren. So konnte zwar ein auf Glykolestern basierender Diacrylatlinker hergestellt und untersucht werden, eine nachgeschaltete Inkubation in wässrigem Medium führte jedoch zu keinem messbaren Abbau – dies wurde hauptsächlich der hydrophoben Natur des Vernetzers und einer verminderten Quellbarkeit zugeschrieben. Die Charakterisierung des Einflusses der Glaskomponente auf die Zementeigenschaften gestaltete sich im Vergleich schwieriger. Besonders Aluminium-freie Glassysteme, um die es ja im Projekt vorranging ging, zeigten teils schwer einzuordnende Trends mit Variation der Glaszusammensetzung. Durch detaillierte Charakterisierung der Glassysteme sollte dies besser verstanden werden, allerdings zeigte sich, dass auch dies sich nicht ganz so einfach gestaltete. Insgesamt lässt sich sagen, dass wie im Antrag als Hypothese formuliert, das Vorhandensein von Kationen mit größerer Feldstärke als Ca2+ oder Na+ Voraussetzung für die Herstellung stabiler Zemente ist. Aus diesem Grunde wurden zuerst Glassysteme und deren Zemente charakterisiert, in denen Calcium systematisch durch Magnesium oder Zink ersetzt wurde. Ergebnisse zeigten jedoch, dass die Feldstärke nicht der einzige Parameter ist, der die Glaseigenschaften beeinflusst. Mg2+ und Zn2+ zeigten trotz vergleichbarer Ionenradien (Mg2+ 0.57 bzw. Zn2+ 0.6 Å für Koordinationszahl 4) deutlich unterschiedlichen Einfluss auf das Löslichkeitsverhalten der Gläser. Dies ist hoch relevant, da die Glaslöslichkeit einer der ersten Schritte bei der Aushärtereaktion der Zemente ist. Die erhaltenen Ergebnisse lassen vermuten, dass dies einer der Hauptgründe ist, warum sich die Zementeigenschaften bei Variation der Glaszusammensetzung nur sehr eingeschränkt vorhersagen lassen. Detaillierte Strukturanalysen in Kooperation mit externen Wissenschaftlern sind aktuell noch nicht abgeschlossen und bieten hoffentlich genaueren Einblick in die Rolle von Magnesium bzw. Zink in puncto Glasstruktur und Löslichkeitsverhalten und somit potentiell auch für die Zemente.

Publications

• “Influence of zinc and magnesium substitution on ion release from Bioglass® 45S5 at physiological and acidic pH”, Biomedical Glasses 2015, 1, 93-107
  M Blochberger, L Hupa, DS Brauer
  
• "Apatite formation of substituted Bioglass 45S5: SBF vs. Tris", Materials Letters 2019, 257, 126760
  R Wetzel, DS Brauer
  
• "Different Routes to Ampholytic Polydehydroalanine - Orthogonal vs. Simultaneous Deprotection", Macromol. Rapid Commun. 2019, 40, 1800857
  J. Kruse, P. Biehl, F. H. Schacher
  
• "Glass ionomer bone cements based on magnesiumcontaining bioactive glasses", Biomedical Glasses 2019, 5, 1-12
  R Wetzel, L Hupa, DS Brauer
  
• "Low Mg or Zn substitution for improved thermal properties of Bioglass 45S5", Materials Letters 2019, 256, 126599
  R Wetzel, O Bartzok, L Hupa, DS Brauer
  
• "Synthesis and Degradation of Branched, Photo-labile Poly(Acrylic Acid) and Polystyrene", Polym. Chem. 2019, 10, 593-602
  O. Eckardt, S. Seupel, G. Festag, M. Gottschaldt, F. H. Schacher
  
• “Effect of Poly(acrylic acid) Architecture on Setting and Mechanical Properties of Glass Ionomer Cements”, Dental Materials 2020
  R. Wetzel, O. Eckardt, P. Biehl, D. S. Brauer, F. H. Schacher
  
• “Surface Functionalization of Magnetic Nanoparticles Using a Thiol-Based Grafting-Through Approach”, Surfaces 2020, 3, 116-131
  P. Biehl, F. H. Schacher