Philipp A. Rösch

• Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkungen von Aminosäuren (AS) und Proteinen auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Calciumphosphat-Zement in Hinblick auf ihre klinische Verwendbarkeit zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wurden ein zweikomponentiger Zement bestehend aus Tetracalciumphosphat (TTCP) und Calciumhydrogenphosphat (Monetit, DCPA), sowie zwei einkomponentige Zemente aus mechanisch aktiviertem alpha-Tricalciumphosphat (alpha-TCP) bzw. beta-Tricalciumphosphat (beta-TCP) verwendet. Die Zemente wurden mitZiel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkungen von Aminosäuren (AS) und Proteinen auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Calciumphosphat-Zement in Hinblick auf ihre klinische Verwendbarkeit zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wurden ein zweikomponentiger Zement bestehend aus Tetracalciumphosphat (TTCP) und Calciumhydrogenphosphat (Monetit, DCPA), sowie zwei einkomponentige Zemente aus mechanisch aktiviertem alpha-Tricalciumphosphat (alpha-TCP) bzw. beta-Tricalciumphosphat (beta-TCP) verwendet. Die Zemente wurden mit verschiedenen Aminosäuren und Proteinen durch Zusatz zur flüssigen Zementphase modifiziert. Untersuchte Qualitätsparameter waren die Abbindezeit nach Gillmore, die mechanische Stabilität sowie die Phasenzusammensetzung nach Aushärtung und Änderungen der Oberflächenladung und des pH-Werts der Zementpartikel nach Modifikation. Die Abbindezeit wurde mittels der Gillmor-Nadel-Methode untersucht. Hierbei zeigten sich teilweise deutlich verlängerte Abbindephasen wie z.B mit Arginin (ST = 18 min) auf das Vierfache des Zementnormwertes. Eine Abhängigkeit der Abbindezeit von der Konzentration konnte nur für TTCP-DCPA-Zement mit Proteinen nachgewiesen werden. Untersuchungen der Partikelladung der Zementbestandteile über das Zeta-Potential ergaben für Arginin in Verbindung mit allen Zementen die höchsten Potentiale von bis zu -35,1 ± 1,1 mV, was über die verstärkten Abstoßungskräfte der CPC-Partikel die Verlängerung der Abbindezeiten erklärt. Die Bestimmung der pH-Werte der suspendierten Zementpartikel in Aminosäurelösungen ergab für alle Proben basischere pH-Werte als die jeweiligen isoelektrischen Punkte der Aminosäuren. Dies bedingt, dass alle Verbindungen in deprotonierter Form vorliegen. Die Ermittlung der Druck- und Zugfestigkeit der Zemente erfolgte im standardisierten Verfahren nach Verdichtung der Zementpaste. Die Druckfestigkeit (CS) der unmodifizierten Zemente lag bei 64,1 ± 3,0 MPa (alpha-TCP), 51,8 ± 4,1 MPa (beta-TCP) und 83 ± 10 MPa (TTCP-DCPA). Es zeigte sich, dass Albumin und Fibrinogen zu einer Verringerung der Zementstabilität führen. Die Zugabe von Aminosäuren zu alpha-und beta-TCP Zementen erbrachte gleichbleibende bzw. verringerte Festigkeiten. Bei TTCP-DCPA-Zement verursachte die Modifikation mit einigen Aminosäuren höhere Festigkeiten bis 133,4 ± 4,2 MPa (CS) durch 20% Glycin Zusatz, erklärbar durch eine höhere Dichte und damit geringere Porosität der Zementmatrix. Rasterlektronenmikroskopische Untersuchungen der TTCP-DCPA-Zementtextur zeigten zusätzlich eine Veränderung des mikrostrukuturellen Aufbaus der Zementmatrix. Durch infrarotspektrometrische Untersuchung der abgebundenen Zemente konnte gezeigte werden, dass alle Aminosäuren als chemisch nicht gebundene Additive in der Zementmatrix vorliegen und sich mit Wasser auswaschen lassen. Eine Umsetzung der Zementreaktanden zu nanokristallinem Hydroxylapatit konnte durch die röntgendiffraktometrische Untersuchung für alle Formulierungen gezeigt werden. Die Verbesserungen der Zementeigenschaften einiger Proben sind im Bezug auf den klinischen Einsatz interessant, da sich so die Indikationsbreite der verstärkten CPC erweitern ließe, beispielsweise auf gering kraft-belastete Defekte im Bereich der oberen Extremitäten oder der Halswirbelsäule. Weiterführende Untersuchungen müssten sich vor allem mit dem Mechanismus der beobachteten Zementverstärkung beschäftigen. Hierfür müssten oberflächensensitive Verfahren zur Charakterisierung der Wechselwirkung von Zementpartikel und Aminosäure, beispielsweise Festkörper -NMR, zum Einsatz kommen.…
• The aim of this work was to examine the effect of amino acids and proteins on the pysical and chemical properties of some calcium phosphate cements with regard to their clinical practicability. Within this work, a two component cement consisting of tetracalcium phosphate (TTCP) and dicalcium phosphate anhydrous (Monetit, DCPA) and two single component cements made from mechanical activated alpha-tricalcium phosphate (alpha-TCP) and beta- tricalcium phosphate (beta-TCP) were investigated. The cements were modified by adding various amino acidsThe aim of this work was to examine the effect of amino acids and proteins on the pysical and chemical properties of some calcium phosphate cements with regard to their clinical practicability. Within this work, a two component cement consisting of tetracalcium phosphate (TTCP) and dicalcium phosphate anhydrous (Monetit, DCPA) and two single component cements made from mechanical activated alpha-tricalcium phosphate (alpha-TCP) and beta- tricalcium phosphate (beta-TCP) were investigated. The cements were modified by adding various amino acids and proteins to the liquid phase cement phase. The investigated parameters were the setting time according to Gillmore, the mechanical performance, the phase composition of the cement after setting and changes of the surface charge and the pH-value of the cement particles after modification. The setting time was determined by the Gillmore needle test. Longer setting times were obtained for example with arginine (ST = 18 min) which increased fourfold compared to the reference value. A correlation of the setting time with the concentration could only be confirmed for the TTCP-DCPA-cement system in combination with proteins. Analysis of the surface charge of cement particles by measuring the zeta potential showed for arginine in combination with all cements the highest potentials of up to – 35.1 ± 1.1 mV, which explains the prolonged setting times due to an electrostatic mutual repulsion of the CPC particles. The determination of the pH value of the suspended cement particles in amino acid solutions of all specimens showed more alkaline values than the respective isoelectic points of the amino acids. This confirmed that all compounds were available in a deprotonated form. The diametral tensile strength and the compressive strength of the cements were determined by standard method after pre-compaction. The compressive strengths (CS) of the unmodified cements were in the range of 64.1 ± 3.0 MPa (alpha-TCP), 51.8 ± 4.1 MPa (beta-TCP) and 83 ± 10 MPa (TTCP-DCPA) cement. Albumin and fibrinogen resulted in a reduction of the cement stability. The addition of amino acid to alpha-/ and beta-TCP cement led to an equal or decreased stability. The modification of TTCP-DCPA cement with some amino acids caused a higher strength of up to 133.4 ± 4.2 MPa (CS) with 20% glycine as additive. This can be explained by a higher density and thus a reduced porosity of the cement matrix. In addition the examination of the TTCP-DCPA cement morphology by scanning electron microscopy showed a change of the microstructure of the cement matrix. The investigation of the hardened cements by infrared spectroscopy showed that all amino acid additives were chemically not bound to the particles and could be removed from the cements by washing with water. X-ray diffraction analysis showed for all cement formulations a conversion to nanocrystalline hydroxyapatite after setting. The improvement of the mechanical properties of some cement samples are of interest with regard to the clinical application to extend the indications for which the cements can be used to low load bearing defects in the upper extremities or in vertebroplasty.…