Biomaterialien. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1

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1 Biomaterialien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1

2 Biomaterialien für den Knochenersatz Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 2

3 Knochenersatzmaterialien (KEM) Ziel: Knochenersatzmaterial, das gut im Defekt integriert wird, die strukturellen Funktionen des Knochens erfüllt und in körpereigenes Material umgewandelt wird Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 3

4 Knochenersatzmaterialien (KEM) Autologer Transplantat (autogen) Autograft Allogener Transplantat (homolog) Allograft Xenogener Transplantat (heterolog) Xenograft Alloplastisches KEM = Artifizieller Ersatz Vollsynthetische Herstellung eines Biomaterials bzw. ausgiebige physikalische oder chemische Bearbeitung allogener oder xenogener Gewebe Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 4

5 Knochen Havers-Kanal Osteocyt in Lacuna Canaliculi Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 5

6 Hierarchischer Aufbau Kriterium: Multiskalige Lastverteilung K Tai C Ortiz et al. Nature Mat 6 (2007) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 6

7 Hierarchischer Aufbau Kriterium: Multiskalige Lastverteilung Lakes, R. S., "Materials with structural hierarchy", Nature, 361, (1993) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 7

8 Wechselwirkung Biomaterialoberfläche - Knochen Permanent: Feste Fixierung des Implantats im Knochen, z.b. mittels einer porösen biokonduktiven (osteokonduktiven) Beschichtung Biokonduktiv Unterbegriff zur Biokompatibilität Bioinert Biotolerant Biokonduktiv, Bioinduktiv, Bioaktiv Permanent Implantat Resorbierbar Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 8

9 Wechselwirkung Biomaterialoberfläche - Knochen Bioinert Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Kohlenstoff, Titan, Titan-Legierungen Kontaktosteogenese mit lebenden Knochen - direkte, rein formschlüssige Grenzfläche zwischen Biomaterial und Knochen - Knochengewebe entsteht in unmittelbarer Umgebung des Implantates und wächst in Richtung der Implantatoberfläche - Keine Zytotoxizität - Keine fördernden Wechselwirkungen - Grenzfläche überträgt Druckkräfte Permanent Resorbierbar Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 9

10 Wechselwirkung Biomaterialoberfläche - Knochen Biotolerant Knochenzement (PMMA), chirurgische Stähle, Kobalt-Chrom- Legierungen Distanzosteogenese mit lebenden Knochen - lebendes Gewebe akzeptiert die Materialien - Bildung einer Bindegewebskapsel an der Grenzfläche - Implantat ist innerhalb dieser etwas beweglich Lockerung ist möglich Permanent Resorbierbar Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 10

11 Biokonduktiv (Bioaktiv, speziell Osteokonduktiv) Calciumphosphate (Hydroxylapatit etc.) als Festkörper, Zemente oder Beschichtung, Biogläser Verbundosteogenese mit lebenden Knochen stoffschlüssige Grenzfäche zwischen Biomaterial und Knochen förderliche Wechselwirkung mit dem lebenden Gewebe Zelldifferenzierung fördert die Osteointegration (osteokonduktiv) Grenzfläche kann Druck-, Zug- und Scherkräfte übertragen Knochenneubildung erfolgt an der Implantatoberfläche und gegebenenfalls im umgebenden Gewebe zwei aufeinander zuwachsende Ossifizierungsfronten hohe Spaltüberbrückungsleistung Permanent Wechselwirkung Biomaterial - Knochen Resorbierbar Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 11

12 Wechselwirkung Biomaterial - Knochen Resorbierbar -Resorption: a. Physikochemischer Lösungsprozess in Körperflüssigkeiten (Löslichkeitsprodukt, ph-wert) b. Physikalisch, mechanische Zerlegung, Fragmentierung z.b. nach chemischem Angriff auf Korngrenzen c. unspezifische Bioresorption durch umgebendes Gewebe, Zellen, z.b. Phagozytose (Biodegradation) d. spezifische Bioresorption und Umbau durch Osteoclasten und Osteoblasten = Knochenremodellierung - Zeitregime sehr kritische Größe Permanent Resorbierbar Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 12

13 Wechselwirkung Biomaterial - Knochen Resorbierbar Calciumphosphate, Polymere, Composite, Metalle (Mg, Fe) Meist biokonduktiv, da eine starke Interaktion zwischen den Material und dem Umgebungsgewebe notwendig ist Hohlräume, gebildet durch die Resorption/Degradation werden durch Osteogenese gefüllt (analog Remodeling) Gleichzeitig findet weitere Resorption/Degradation statt. Resorption BMU: Basic Multicellular Unit Osteogenese Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 13

14 Knochen-Remodeling cross talk Knochenresorption Knochenneubildung BMU: Basic Multicellular Unit Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 14

15 Knochen-Remodeling Bildung Resorption Osteoklast Osteoblasten BMU: Basic Multicellular Unit Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 15

16 Knochenersatzmaterial (KME) Osteoklasten (Knochenauflösend) crosstalk (z.b. RANK-L, RANK, OPG) Osteoblasten (Knochenbildend) KME/Scaffold Matrix für die Remodellierung crosstalk (z.b. BMP-2, VEGF) Endothelzellen (Gefäßbildend) BMU: Basic Multicellular Unit Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 16

17 Knochenersatzmaterialien J R Jones: Acta Biomaterialia 9 (2013) Was kann ich brauchen? Ingenieur: Bioaktives, hartes und formstabiles Material, offenporig wie der spongiöse Knochen Chirurg: Poröses Material, aber lasttragend (Festigkeit des kortikalen Knochens), im OP auf Form zuschneidbar, oder in den Defekt hinein preßbar mit anschließender Ausdehnung (pressfit), oder injizierbar. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 17

18 Knochenersatzmaterialien Scaffolds, (poröse Schäume, Gewebe, Non-woventextiles) Knochenzemente (CPC, PMMA) Wachstumsfaktoren Granulate (HAP, CPP, Bioglass, Komposite etc.) Monolithe, geformt (HAP, CPP, Komposite) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 18

19 Knochenersatzmaterialien Scaffold mit Zellen oder vaskularisiertes künstliches Gewebe (Tissue Engineering) Wachstumsfaktoren Zellen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 19

20 Knochenersatzmaterialien - Augmentation Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 20

21 Knochenersatzmaterialien G.M.Calori et al.: Injury, Int. J. Care Injured 42 (2011) S56 S63 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 21

22 Entfernung des Bindegewebes, Präparation der Defektzone Knochenersatzmaterialien Fixierung durch metallische Platte + Allograft-Implantat Implantation eines Scaffolds mit Knochenmarksaspirat + Wachstumsfaktor G.M.Calori et al.: Injury, Int. J. Care Injured 42 (2011) S56 S63 Verschluß der Defektzone mit haemostatischem Mittel Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 22

23 Knochenersatzmaterialien G.M.Calori et al.: Injury, Int. J. Care Injured 42 (2011) S56 S63 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 23

24 Wechselwirkung Biomaterial - Knochen Porös zwischen Bioinert und Biokonduktiv Bei bioinerten Materialien: Verbesserte Formschlüssigkeit Bei biokonduktiven Materialien: Verbesserte Form- und Stoffschlüssigkeit, größere Wechselwirkungsoberfläche Knochensubstanz mit Osteocyten Osteoblast Poröses HAP Titan Poröses Titan, mit HAP beschichtet HAP Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 24

25 Implantat im Knochen - Knochenzement Knochenzement Titan Dichter Knochen Spongiöser Knochen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 25

26 Implantat im Knochen ohne Knochenzement Titan y z 200µm x MBZ-AG Biomaterialien, Bernhardt, Hanke Spongiosa der Rattentibia dargestellt als 3D-Rekonstruktion eines SRµCT- Experientes Spongiosa der Rattentibia dargestellt als Fluoreszenzbild, Trabeculae (dunkel, rote Pfeile) und die dazwischen liegenden Bereiche. Spongiöser Knochen, Trabekeln und Knochenmark Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 26

27 Knochenzement PMMA-Zemente (Polymethylmethacrylat) eines der ersten synthetischen Biomaterialien Hauptaufgabe (aller Zemente) Übertragung von Masse (des Patienten) und Kräften vom Implantat (Prothese) auf den Knochen. Nachteile: keine Osteokonduktivität Gefahr der aseptischen Lockerung Vielerlei Zusätze: Benzoylperoxid als Aktivator des Aushärtens Kontrastmittel für Röntgenuntersuchung Stabilisatoren Reaktion zu einer klebrigen und später hochviskosen Masse unter Temperaturerhöhung (40 und 46 C) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 27

28 Knochenzement Calciumphosphat-Zemente (Biozemente) bestehen aus demselben anorganisch-nichtmetallischen Material wie der Knochen können (idealerweise) an die mechanischen und physiologischen Eigenschaften des Knochens angepasst werden erlauben die Wechselwirkung zwischen Implantat und Knochen Osteokonduktivität Nachteil: Niedrige mechanische Stabilität (Zement als Biokeramik) Verstärkung mit Polymeren ist nötig Eine Komponente Ready-to-use Klassisch: Zwei Komponenten Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 28

29 Knochenzement Calciumphosphat-Zemente dienen primär der Defektauffüllung Mehrkomponentensysteme (mehrere Pulverkomponenten plus eine wäßrige Lösung) formbare Paste Prototypen nach Brown und Chow (1986): (1) Dicalciumphosphatdihydrat (DCPD) + Tetracalciumphosphat (TTCP) sowie (2) Dicalciumphosphat (DCP), TTCP + Hydroxylapatit (HA) Härtet in situ aus Kombination von Lösungs- und Fällungsprozessen, die temperatur-, ph- und partikelgrößenabhängig sind Fällungsprodukt: Mischung aus Sedimentationsprodukt (amorphe und kristalline Phasen) und Ausgangssubstanzen Sedimentationsprodukte (u.a.): Dicalciumphosphatdihydrat, Octacalciumphosphat, amorphes Calciumphosphat, calciumdefizitärer Apatit, Hydroxylapatit ohne Osteosynthese mechanisch nicht oder wenig belastbar (kein immediate load ) gut vaskularisiertes Implantatlager nötig Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 29

30 Knochenzement BMU Kok Weng Lye et al., TISSUE ENGINEERING: Part B Volume 15, Number 4, 2009 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 30

31 Bioaktive Keramiken Bioglass = 45S5 Hench 1969 SiO 2 46,1 mol% Na 2 O 24,4 mol% CaO 26,9 mol% P 2 O 5 2,6 mol% J.R. Jones: From Hench to Hybrids. Acta Biomater Wintermantel & Ha, Berlin etc Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 31

32 Wechselwirkung Bioglas-Gewebe 0 1h 2h 10h 20h 100h Wintermantel & Ha, Berlin etc Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 32

33 Bioactive Glass Oriented Scaffold Trabecular Scaffold 13-93* Bioactive Glass: 53 SiO 2, 6 Na 2 O, 12 K 2 O, 5 MgO, 20 CaO, 4 P 2 O 5 ; wt% *MPa X Liu et al. Acta Biomaterialia 9 (2013) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 33

34 Bioactive Glass Oriented Scaffold Trabecular Scaffold Ohne Scaffold 12 weeks 24 weeks X Liu et al. Acta Biomaterialia 9 (2013) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 34

35 Bioactive Glass X Liu et al. Acta Biomaterialia 9 (2013) µm Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 35

36 Bioglass -Verwendungen 3D-µ-CT-Darstellungen eines trabekularen Knochens (Spongiosa, links) und eines Scaffolds aus bioaktivem Glas (rechts) PLLA Schaum mit 15% BG-Np J R Jones et al., J Mater Sci: Mater Med (2009) 20: ; J R Jones: Acta Biomaterialia 9 (2013) scale bar is 100 μm Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 36

37 Wechselwirkung Bioglas-Gewebe Alexander Hoppe, Nusret S. Güldal, Aldo R. Boccaccini: Biomaterials 32 (2011) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 37

38 Glas Silikat als Wirkstoffphase essenzielles Element für die Bildung gesunden Bindegewebes und Knochens unterstützt Adhäsion, Proliferation, Differenzierung, Mineralisierung von Knochenzellen und die Kollagensynthese ist in die frühen Phasen des Mineralisationsprozesses involviert konzentriert sich an aktiven Calcifizierungsstellen im Knochen diätisch herbeigeführter Siliziummangel führt zu Deformationen an Tibia, Femur, Mittelfußknochen, Schädel, Zahnschmelz sowie zu jeweils verringerter Mineraldichte, Wassergehalt und Glukosaminoglykankonzentration im Knochen zusätzliche Gabe von Silikat erhöht die Knorpelsynthese, die Kollagenkonzentration im Knorpel und der physiologische Resorptionsprozess wird inhibiert Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 38

39 Knochen Calcium als Wirkstoffphase Das Biomaterial beeinflusst die extrazelluläre Calciumionenkonzentration [Ca2+]e [Ca2+]e hat Einfluss auf Adhärenz, Proliferation, Differenzierung von Stammzellen, Osteoblasten, Osteoklasten [Ca2+]e Resorptionsfähigkeit von OC, Apoptose [Ca2+]e Proliferation primärer OB, Differenzierung inhibiert [Ca2+]e Proliferation MSC, Differenzierung inhibiert [Ca2+]e Viabilität der OB Zytotoxizität von ungesintertem HAP in Verbundmaterialien wg. zu hoher Bioaktivität [Ca2+]e Knochenaufbau wird stimuliert, OB-Proliferation, hmsc-differenzierung zu OB, Osteoklastogenese Vgl. Vorlesung Alterung und Degradation, Folien 38 bis 41 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 39

40 Komposite Anforderungsvielfalt an Knochenersatzmaterialienlassen sich mit monophasischen Materialien schwer erfüllen (z.b. hierarchischer Aufbau) Mischungen Komposite zeichnen sich durch überlegene Eigenschaftskombinationen aus Kompositmaterial: Kombination zweier oder mehrerer heterogener Materialien oder Phasen, die sich in ihrer Zusammensetzung und Form unterscheiden. Die einzelnen Phasen behalten ihre individuellen Eigenschaften und sind miteinander verbunden, die Phasengrenze verbleibt. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 40

41 Komposite Ziel: verschiedene vorteilhafte Eigenschaften der Einzelkomponenten in einem neuen Material zu vereinen. Das neue Material verfügt über verbesserte spezifische, synergistische Charakteristiken, die mit keiner der Einzelphasen allein erreicht werden können. Optimierung mechanischer Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit und Rissbeständigkeit Biokompatibilität, Degradabilität und Resorbierbarkeit, Osteokonduktivität etc. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 41

42 Komposite Biomaterial-Komposite bestehen meist aus einer Strukturphase (Partikel, Whisker, Fasern, Lamellen, Netze), die in eine kontinuierliche Matrixphase eingebettet ist. Strukturphase: Erhöhung der Festigkeit meist anorganisch Matrixphase: Binder für die Bestandteile der Strukturphase (gewährleistet Elastizität und Duktilität) meist organisch Hier vice versa: Kollagen: Strukturphase Silikat: Matrixphase Strukturphase Matrixphase Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 42

43 Anorganik-Anorganik-Komposite Kombination etablierter anorganischer Phasen, z.b. Calciumphosphat und Silikat von großem Interesse für die Entwicklung von Biomaterialien im Knochenkontakt. Matrixphase Strukturphase A cross-sectional scanning electron microscope image of calcium phosphate-coated silicon nanowires, with the inset photo showing a higher-magnification transmission electron microscope image of this type of material. Credit: Dr Dattari Nagesha. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 43

44 Anorganik-Anorganik-Komposite Kombination etablierter anorganischer Phasen z.b. unterschiedlicher Calciumphosphatphasen von großem Interesse für die Entwicklung von Biomaterialien im Knochenkontakt. (A) Inorganically precipitated phosphate sample showing structureless clouds of amorphous calcium phosphate (B) TEM image of the inorganically precipitated phosphate sample, where nano-sized needle crystals of apatite are included within amorphous calcium phosphate. (C) Lattice-fringe image of needle apatite crystallite with lattice fringes at 0.82 nm corresponding to the d- spacing of (100) or equivalent crystallographic planes. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 44

45 Anorganik-Anorganik-Komposite Komposite auf Silikat und Calciumphosphat-Basis werden in der Regel erhalten, indem die Komponenten zu einer Paste vermischt werden, die als extrudierter Strang bei Temperaturen getrocknet wird, bei denen keine Sinterprozesse stattfinden Granulate mit Porositäten von 50-80% S. Heinemann, M. Gelinsky, H. Worch, T. Hanke (2011) Resorbierbare Knochenersatzmaterialien. Orthopäde 40, Wintersemester 2012/13 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 45

46 Organik-Organik-Komposite Organik/Organik-Komposite aus natürlichen (Kollagen, Gelatine, Fibroin, Chitosan, Elastin, Cellulose) oder synthetischen (PCL, PVA) Polymeren Herstellung in Form von Fasern, z.b. Selbstassemblierung (z.b. Kollagen-basierte Komposite) Elektrospinnen von Lösungen (Synthetische oder natürliche Polymere) Gut geeignet für die Nachahmung der natürlichen extrazellulären Matrix Tissue Engineering von Weichgewebe Geringe mechanische Festigkeiten: für lasttragende Anwendungen Einführung weiterer stabilisierender Komponenten Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 46

47 Organik-Organik-Komposite und Hybridstrukturen Netz aus Gelatine-Nanofasern (elektrogesponnen) in Chitosan-Mikrofaser-Vlies Kollagen I-Strukturen in in Chitosan-Mikrofaser-Vlies hmsc auf Kollagen I- modifiziertem Chitosan- Mikrofaser-Vlies M. Hild, R. Brünler, M. Jäger, D. Aibibu, E. Laourine, C. Cherif, T. Hanke (2014) Textile Research Journal DOI: / Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 47

48 Anorganik-Organik-Komposite anorganische Komponente: z.b. Silikat oder Calciumphosphatphasen organische Komponente: z.b. Kollagen bzw. Kollagenderivate Calciumphosphatzement-Komposite empfinden z.t. die chemische Zusammensetzung des natürlichen Knochens nach, der hierarchische Aufbau konnte bisher nicht zufriedenstellend nachgeahmt werden. Sol-Gel-Silikat/Kollagen-Komposite bieten neue Ansätze: monolithische und mechanisch bearbeitbare Komosit-Xerogele mit Festigkeitseigenschaften, die denen des Knochens vergleichbar sind. ggf. plus HAP oder andere Calciumphosphate, unter anderem um die Bioaktivität zu beeinflussen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 48

49 Anorganik-Organik-Komposite Calciumphosphat-(Zement)-Komposite Nachteile der einzelnen Komponenten werden ausgeglichen zunächst Versuche mit PMMA/HA Problem einheitlicher Osseointegration K. Draenert et al. / Injury, Int. J. Care Injured 42 (2011) S47 S55 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 49

50 Anorganik-Organik-Komposite Calciumphosphat-(Zement)-Komposite Einsatz natürlicher Polymere Komposite aus HA oder ß-TCP mit Kollagen oder Gelatine Simultanes Fällen des organsiche und anorganischen Parts Lösungsmischung, anschließend Extrudieren mechanische Mischung: Mahlen, biomimetische Mineralisierung (Synthetic Body Fluid) Mineralisierung mit speziellen Verfahren (Dual Constant Composition Method, Dual Membrane Method) steife oder geschmeidige Formkörper, bioresorbierbar Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 50

51 Anorg.-Anorg. und Anorg.-Organik-Komposite Etablierte Materialien KNOCHENMATRIX GELASPON GENTA-COLL OSTEOPLANT OSTEOVIT COLLOSS/TARGOBONE Etablierte Knochenersatzmaterialien Mischungen COLLAPAT COLLAGRAFT HEALOS Bonitmatrix + Kollagen [Thimm 2008] KNOCHEN Mineralisierte Kollagenfibrillen [z.b. AG Gelinsky] BIOSTITE BIOGLASs 90S, 77S, 58S SiO 2 -CaO Recherche und Grafik: S. Heinemann BIOGLASS NOVABONE PERIOGLAS CONSIL BIOGRAN BONITMATIX NANOBONE REBONE KNOCHENAPATIT/DAHLLITE Synth. HAP, TCP Natürl. HAP Calciumphosphatzemente Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 51

52 Produkte Silikat-Kollagen-Komposite Poröse Scaffolds Feste Xerogele Grafik: S. Heinemann Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 52

53 Biomimetische Strategie Sol-Gel-Prozess Grafik: S. Heinemann Besonders die kompakten Komposit-Xerogele erscheinen gut geeignet für den lasttragenden Knochenersatz. Heinemann S, Heinemann C, Bernhardt R, Meyer M, Reinstorf A, Nies B, Worch H, Hanke T: Acta Biomaterialia, 5 (2009), Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 53

54 Knochenähnliche Struktur Braidotti 2000 Fratzl 2000 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 54

55 Knochenähnliche Struktur Kollagen I-Fibrillenbündel in Silikat/Kollagen-Matrix Fibrillenbündel in Si/Koll-Matrix Kollagen-Stege in Si/Koll-Matrix Kollagen: Templat für Silikatmineralisation und Vernetzer der Silikatnanopartikel Struktur: Kollagen-Fibrillenbündel (μm) und -Stege (nm) in der Matrix Festigkeiten: Durch Zusammensetzung und Präparation einstellbar S. Heinemann et al. (2011) Compos Sci Technol 71, S. Heinemann et al (2011) ACS Appl Mater Interfaces 3, R. Sikmanis et al. (2012) BioNanoMaterials 13, 140 Einfluss von Kollagen und HAp auf die Druckfestigkeit Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 55