Investigation of the physical properties and biocompatibility of dual-setting calcium phosphate-based cements $in$ $vitro$

Abstract

Aufgrund des unbegrenzten Angebots sowie ihrer physikalischen und biologischen Eigenschaften nimmt die Bedeutung von synthetischen Knochenersatzmaterialien stetig zu. Im Fokus der Forschung steht dabei vor allem die Verbesserung der Festigkeit dieser Materialien, die bisher nur in nicht lasttragenden Bereichen eingesetzt werden, die Biokompatibilität gegenüber körpereigenen Zellen sowie die Resorbierbarkeit. In der vorliegenden Arbeit sollten deshalb dualhärtende Bruschit-Zemente mit Organosilicat-Matrizen und mit Baghdadit substituierte Bruschit-Zemente auf die oben genannten Eigenschaften untersucht werden. Für die dualhärtenden Zemente ergab sich die höchste Druckfestigkeit für Silicat-Matrizen auf Basis von TEOS mit 16,27 MPa gegenüber Bruschit. Für die Hybrid-Silicat-Matrizen konnte hingegen keine Steigerung der langfristigen Druckfestigkeit gezeigt werden. Aufbauend auf unsere Untersuchungen sollte darüber hinaus die initiale Druckfestigkeit der verwendeten Systeme in den ersten 24 Stunden untersucht werden, da die Silicat-Matrizen zu deren Erhöhung beitragen könnten. Alle Zemente mit Bruschitanteil befanden sich zudem nach spätestens 10 Stunden im pH-neutralen Bereich zwischen 7,26 und 7,31. Bei den dualhärtenden Zementen mit Silicat-Matrizes ergab sich die beste Biokompatibilität. Diese zeigte sich jedoch nur bei den Bruschit-Zementen mit TEOS und 1,8-Bis-(triethoxysilyl)octan mit einer relevanten Signifikanz. MG-63 zeigte nach 9 Tagen eine 8-28x Erhöhung der Zellaktivität und eine 6-28x Erhöhung der Zellzahl gegenüber der Bruschit-Kontrolle. Auch bei RAW 264.7 konnte auf den Zementen mit beiden Präkursor nach 15 Tagen 90 ng/ml DNA detektiert werden, während diese auf Bruschit kaum zu detektieren war. Dies lässt sich einerseits durch eine Steigerung der Biokompatibilität durch den Silicat-Anteil und die Veränderung der Porengröße erklären, andererseits auch durch eine mögliche Vernetzung mit dem Abbindeverzögerer Citrat, der die Adhärenz von Zellen reduziert. Eine weitere Steigerung könnte zudem durch die Verwendung von besser biokompatiblen Abbindeverzögerern wie Phytat erreicht werden.Due to the unlimited supply and their physical and biological properties, the importance of synthetic bone replacement materials is constantly increasing. Research is focussing primarily on improving the strength of these materials, which have so far only been used in non-load-bearing areas, their biocompatibility with the body's own cells and their resorbability. In the present study, dual- setting brushite cements with organosilicate matrices and brushite cements substituted with baghdadite were therefore to be analysed for the above-mentioned properties. For the dual-setting cements, the highest compressive strength was found for silicate matrices based on TEOS with 16.27 MPa compared to brushite. In contrast, no increase in long-term compressive strength could be demonstrated for the hybrid silicate matrices. Based on our investigations, the initial compressive strength of the systems used in the first 24 hours should also be investigated, as the silicate matrices could contribute to their increase. All cements with brushite content were also in the pH-neutral range between 7.26 and 7.31 after 10 hours at the latest. The dual-setting cements with silicate matrices showed the best biocompatibility. However, only the brushite cements with TEOS and 1,8-bis-(triethoxysilyl)octane showed a relevant significance. After 9 days, MG-63 showed an 8-28x increase in cell activity and a 6-28x increase in cell count compared to the brushite control. In the case of RAW 264.7, 90 ng/ml DNA was also detected on the cements with both precursors after 15 days, while this was hardly detectable on brushite. This can be explained on the one hand by an increase in biocompatibility due to the silicate content and the change in pore size, and on the other hand by possible cross-linking with the setting retarder citrate, which reduces the adherence of cells. A further increase could also be achieved through the use of more biocompatible setting retarders such as phytate