Biomorphe Keramikstrukturen mit anorganischer Reaktionsbindephase für vaskularisationspotente Knochenersatzkonstrukte
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das in Kooperation mit der Klinik für Plastische und Handchirurgie des Universitätsklinikums (Leiter: Prof. Dr. med. R. Horch) durchgeführte Projekt beschäftigt sich mit der Herstellung biomorpher Keramiken durch indirektes dreidimensionales Drucken für vaskularisationspotente Knochenregenerations-Implantate. Calciumphosphate: Es wurden prozesstechnische Untersuchungen zur gezielten und kontrollierten Herstellung von Bicalciumphosphat (BCP)-Scaffolds mit hoher Porosität, Interkonnektivität und großen Porendurchmessern durchgeführt. Die Porengenerierung erfolgte mit Hilfe von Polydextrinen (Stärke). Abhängig von der injizierten Flüssigkeitsmenge während des 3D-Druckens konnten die Porendurchmesser in den Grenzen von 50 µm bis 600 µm variiert werden. Die Gesamtporosität der in den präklinischen Untersuchungen verwendeten Scaffolds betrug über 65 %. Ihre Stege wiesen Durchmesser zwischen 100 und 250 µm auf, die für die chirurgisch präparative Handhabung ausreichende Druckfestigkeit lag bei 3,5 MPa. Untersuchungen zur Zellbesiedlung zeigten für die hochporösen BCP-Scaffolds gute Ergebnisse. Sowohl mesenchymale Stammzellen als auch primäre Osteoblasten konnten auch im Kernbereich der 3D-Scaffolds in hoher Vitalität detektiert werden. In Tiermodell-Untersuchungen konnte die dreidimensionale Knochenneubildung der mit Osteoblasten besiedelten Scaffolds erfolgreich nachgewiesen werden. Ebenfalls konnte die Vaskularisation sämtlicher, auch präoperativ nicht vorbesiedelter Scaffolds belegt werden. Calciumaluminate: Tricalcium-Aluminat (C3A) und Dodekacalcium-Heptaaluminat (C12A7) ermöglichen eine hydraulische Reaktionsbindung direkt beim Druckvorgang, sodass keine Hochtemperaturbehandlung (Sintern) für die Konsolidierung erforderlich ist. Die Bildung der Hydratphasen 2 CaO · Al2O3 · 8 H2O (C2AH8) und 4 CaO · Al2O3 · 19 H2O (C4AH19) und ihr Einfluss auf die Porenstrukturbildung wurden untersucht. Die dabei stattfindende Volumenexpansion bewirkt eine Reduzierung der Porosität und dadurch eine signifikante Steigerung der Druckfestigkeit von 5 auf 20 MPa. Als Demonstrationsobjekt wurde für den Projektpartner innerhalb des Vorhabens ein modular aufgebautes Scaffold für das mikrochirurgische A/V-Vaskularisationsmodell gedruckt. Durch die Reaktionsbindung bei Umgebungstemperatur wird einerseits eine höhere Geometriegenauigkeit der gedruckten porösen Struktur ermöglicht, andererseits können bioorganische Zusatzstoffe (z. B. Antibiotikum, Wachstumsfaktoren) über den Druckprozess in die Scaffoldstrukturen eingebracht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bone-Tec, Hannover 07.-09.11.2008. Vascularised Bone Substitutes
- Porous Ceramic Bone Scaffolds for Vascularized Bone Tissue Regeneration. J. Mater. Sci. Mater. Med. 19 (2008) 2781-2790
J. Will, R. Melcher, C. Treul, N. Travitzky, U. Kneser, E. Polykandriotis, R. Horch, P. Greil
- The venous graft as an effector of early angiogenesis in a fibrin matrix. Microvascular Research 75 (2008) 25-33
E. Polykandriotis, J. Tjiwai, S. Euler, A. Arkudas, A. Hess, K. Brune, P. Greil, A. Lametschwandtner, R.E. Horch, U. Kneser
- Regression and Persistence: Remodelling in a Tissue Engineered Axial Vascular Assembly. J. Cell. Mol. Med. 13 (2009) 4166-4175
E. Polykandriotis, S. Euler, A. Arkudas, G. Pryymachuk, J.P. Beier, P. Greil, A. Dragu, A. Lametschwandtner, U. Kneser, R.E. Horch
- Principles and Development of Bio-Inspired Materials, Wien, 13.-15.04.2010. 3D Printed Hydraulic Reaction Bonded Bone Regeneration Scaffolds
- Wiener Biomaterialsymposium, 15.-17.11.2010. Poröse HAP/β-TCP-Scaffolds für die Knochenregeneration
- 3D Drucken poröser vaskularisationsstimulierender Keramikimplantate. Dissertation, 2011
Anne-Kathrin Maier
- Three Dimensional Printing of Flash-Setting Calcium Aluminate Cement (CAC). J Mater Sci 46 (2011) 2947- 2954
A.-K. Maier, L. Dezmirean, J. Will, P. Greil
