Bestimmung des Zetapotentials von Calcium-Phosphat-Partikeln in wässriger und organischer Phase

Referent: Prof. Dr.-Ing. R. Thull Korreferent: Prof. Dr. Dr. J. Reuther Dekan: Prof. Dr. G. Ertl

Tag der mündlichen Prüfung: 21.11.2006

Der Promovend ist Zahnarzt.

Meiner Mutter in Dankbarkeit gewidmet.

Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung und Problemstellung  1

2.  Kenntnisstand und Grundlagen  5

2.1  Calciumphosphate  5

2.1.1  Calciumhydrogenphosphat-Anhydrid (DCPA)  6

2.1.2  Tricalciumphosphate (TCP)  6

2.1.3  Tetracalciumphosphat (TTCP)  7

2.1.4  Hydroxylapatit (HA)  8

2.2  Calcium-Phosphat Zemente (CP)C  8

2.2.1  Hydroxylapatit (HA) bildende Calcium-Phosphat Zemente (CP)C  10

2.2.2  Bruschit (DCPD) bildende Calcium-Phosphat Zemente (CP)C  12

2.2.3  Reaktivitätssteigerung durch Mahlung/mechanische Aktivierung  13

2.3  Disperse Systeme  14

2.3.1  Allgemeines Suspensionsverhalten  15

2.3.2  Stabilität einer Suspension  16

2.4  Zetapotential  19

2.4.1  Das Schichtenmodell nach Stern, Helmholz und Gouy-Chapman  19

2.4.2  Potentialverlauf im Schichtenmodell bei der Elektrophorese  22

2.4.3  Mechanismen zur Zetapotentialerhöhung  23

2.5  Elektrokinetische Effekte  24

2.6  In vivo/vitro Untersuchungen  27

3.  Material und Methode  29

3.1  Zetapotentialmessaperatur (Zetasizer 3000)  29

3.2  Messdurchführung  32

3.3  Calciumphosphate  33

3.4  Suspensionsmedien  34

3.5  Antibiotika und Albumin  35

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4.  Ergebnisse  37

4.1  Zetapotentiale in wässriger Phase  37

4.2  Zetapotentiale in organischen Medien  38

4.3  Zetapotentiale in Gemischen aus wässriger und organischer Phase  39

4.4  Zetapotentiale in wässriger Phase mit Pufferlösung  40

4.5  Einfluss von Additiven auf das Zetapotential in wässriger Phase  41

4.6  Reproduzierbarkeit der Methode  44

5.  Diskussion  47

5.1  Zetapotentiale in organischen Medien  47

5.2  Zetapotentiale in wässriger Phase durch Zusatz von Additiven  51

6.  Zusammenfassung  55

7.  Literaturverzeichnis  57

8.  Anhang  

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Abkürzungen

CaP Calciumphosphat CC Calciumcarbonat CPC Calcium-Phosphat-Cement DCPA Dicalciumphosphat-Anhydrid (Monetit) DCPD Dicalciumphosphat-Dihydrat (Bruschit) DLVO Derjaguin, Landau, Verwey & Overbeek esu electrostatic units GS Gentamicinsulfat HA Hydroxylapatit LDA Laser-Doppler-Anemometrie LP Löslichkeitsprodukt MCPA Monocalciumphosphat-Anhydrat OCP Octacalciumphosphat PMMA Polymethylmethacrylat TCP Tricalciumphosphat TTCP Tetracalciumphosphat vdW Van-der-Waals

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1. Einleitung und Problemstellung

1. Einleitung und Problemstellung

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach synthetischen Knochenersatzstoffen vor dem Hintergrund der schonenderen und schnelleren Rekonstruktion von Gesichts- und Schädelpartien drastisch gestiegen [1-3]. Körpereigene Knochensubstanz zu transplantieren ist wegen der guten Bioverträglichkeit derzeit die beste Möglichkeit zur Deckung eines Knochendefekts [4]. Da in der Regel eine Zweitoperation für die Entnahmestelle notwendig ist, aber auch eine begrenzte Verfügbarkeit des Knochens, sind die Bemühungen verständlich, den Kieferchirurgen verbesserte Ersatzfabrikate und optimierte Verarbeitungsmethoden anzubieten. Versuche mit nicht körpereigenen Knochenersatzwerkstoffen, beispielsweise mit Polymethylmethacrylat (PMMA)-Zementen [5] und Keramik-Formkörpern [6], führten zwar zum Erfolg, jedoch nicht ohne erhebliche Nachteile für den Patienten. PMMA-Zemente bieten zwar eine hohe mechanische Druckfestigkeit, binden aber unter einer exothermen Reaktion ab. Das kann zu Nekrosenbildung des umliegenden Gewebes führen. Darüber hinaus sind die Zemente vom Körper nicht abbaubar. Vorgeformte Keramikkörper aus gesintertem Hydroxylapatit sind zwar biokompatibel und verbinden sich bindegewebsfrei mit dem Knochen, können jedoch nicht resorbiert, bzw. zu Knochen umgewandelt werden [7, 8]. Die starren Körper stellen außerdem ein Problem bei der Anpassung an die Defektgröße dar. Als künstliche Zahnwurzel-Implantate ist ihr Einsatz aber gut vorstellbar [9]. Es wurde überlegt ein Material einzusetzen, das am Operationsort frei formbar ist und eine gute Bioverträglichkeit besitzt. Zemente auf Calciumphosphat-Basis besitzen diese Fähigkeiten und binden isotherm ohne Volumenänderung zu einer stabilen Zementmatrix ab [10].

Seit der Beschreibung der ersten Zementformulierung aus Calciumphosphaten durch Chow und Brown 1986 [11] wurden in den letzten Jahren viele verschiedene Zementtypen charakterisiert und auf ihre physikalischen und biologischen Eigenschaften untersucht. Beispiele dafür sind Pulvermischungen von α-/β-Tricalciumphosphat (TCP) mit Calciumcarbonat (CC) und primären

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1. Einleitung und Problemstellung

Calcium-bis-dihydrogenphosphat (MCPA) [12, 13], Tetracalciumphosphat mit Calciumhydrogenphosphat (Monetit, DCPA) [14], bzw. mit Calciumhydrogen-Phosphat Dihydrat (Bruschit, DCPD) [15]. Bei einem Vergleich verschiedener Studien untereinander, ergibt sich trotz chemisch identischer

Zusammensetzung der Calciumphosphat-Zemente (CPC) eine starke Schwankung der physikalischen Eigenschaften. Die Reaktivität der Zemente hängt hauptsächlich von der Lösungsrate der einzelnen Bestandteile ab. Diese wird in der Regel mit der Korngröße und somit über die spezifische Oberfläche eingestellt. Es ist daher besonders wichtig, eine gleich bleibende Größenverteilung und Durchmischung der Einzelbestandteile zu erreichen. Ergebnisse eigener Überlegungen und die Ergebnisse aus der Literatur lassen vermuten, dass das Zetapotential, das eng mit den Oberflächeneigenschaften verknüpft ist, mit der Reaktivität von Calciumphosphat-Partikeln in flüssiger Phase zusammenhängt. Zetapotential-änderungen von Materialien geben einen Anhaltspunkt über den Ionenaustausch zwischen der Hydratschicht um die Keramikpartikel und der Partikeloberfläche. Zetapotentialverläufe dienten auch dem Studium der Adsorption von Proteinen auf synthetischem HA [16] und spielen bei der Wechselwirkung der Werkstoffe mit Wirkstoffen und deren kontrollierten Freisetzung eine Rolle. Antibiotika, wie zum Beispiel Amoxicillinhydrat, Gentamicinsulfat und Vancomycinhydrochlorid, sind solche Wirkstoffe und könnten mit Hilfe der Zemente direkt an den Ort des infektiösen Geschehens transportiert werden [17, 18]. Änderungen der Ladungs-Verhältnisse an den Oberflächen können aber das Verhalten der Zementpaste während der Aushärtung entscheidend beeinflussen und zu negativen Ergebnissen führen. Die Bestimmung der Oberflächeneigenschaft ist somit die zwingende Voraussetzung für die Weiterentwicklung von Calcium-Phosphat-Zementen (CPC).

Ziel der Untersuchungen war die Bestimmung der Oberflächenladung verschiedener Calciumphosphate in Wasser bzw. organischem

Suspensionsmedium. Mit Hilfe einer Zetapotential-Messapparatur der Firma Malvern Industries sollte untersucht werden, inwieweit das zur Feinstmahlung

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1. Einleitung und Problemstellung

verwendete Medium eine elektrostatische Stabilisierung der Partikel bewirkt, und somit die Agglomeratbildung vermindert. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, geeignete Lösungen für hochwertige Mahlungen bzw. Mischungen von Calciumphosphatpulvern zu ermitteln, um somit die Partikelgrößen-Verteilung der CPC-Zementsysteme entsprechend zu optimieren. Daneben erfolgte eine Bestimmung der Wechselwirkung der Partikel mit Zusätzen, beispielsweise Natriumphosphaten, sowie mit pharmakologisch wirksamen Substanzen, wie Antibiotika, im Hinblick auf Adsorption der Wirkstoffe und Änderungen des Zetapotentials der Partikeloberfläche.

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2. Kenntnisstand

2. Kenntnisstand und Grundlagen

2.1 Calciumphosphate

Orthophosphorsäure H 3 PO 4 , eine dreibasige mittelstarke Säure, bildet den Ausgangsstoff für alle Ca-Phosphate. Sie bildet primäre (Dihydrogenphosphat), sekundäre (Hydrogenphosphat) und tertiäre Phosphate (Phosphat). Die Verbindungen mit Calcium lassen sich in unterschiedlichen molaren Ca/P-Verhältnissen differenzieren. Alle in der Tabelle 1 aufgeführten Calciumphosphatverbindungen, außer Fluorapatit, gehören zu dem Dreistoffsystem Ca(OH) 2 -H 3 PO 4 -H 2 O. Sie sind in der Reihenfolge ihres zunehmenden Ca/P-Verhältnisses und basischen Charakters geordnet. Eine genauere Übersicht über die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Verbindungen und ihrer Herstellung findet sich in der Literatur [19].

Tabelle 1: Löslichkeitsprodukte (LP) und Ca/P-Verhältnisse diverser Calciumphosphate (*k.D.=

keine Daten vorhanden)

2. Kenntnisstand

2.1.1 Calciumhydrogenphosphat-Anhydrid (DCPA)

Verwendung findet DCPA (Monetit) hauptsächlich in der Medizin als Schleifmittel, als Calcium- und Phosphatzusatz in Lebensmitteln und in Zahnpasten [28]. Es dient als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Calciumphosphat-Zementen [29, 30]. Die Synthese erfolgt durch simultane Zugabe zweier wässriger Lösungen, bestehend aus Dinatriumhydrogen/Kaliumdihydrogenphosphat und Calciumchlorid/Kaliumdihydrogenphosphat zu einer Kaliumdihydrogenphosphat-Lösung bei einem pH-Wert von 4-5 und einer Temperatur von über 100ºC innerhalb von 3 Stunden [31]. Eine andere Möglichkeit, DCPA herzustellen, beruht auf der thermischen Dehydration von DCPD (Bruschit) bei 180 ºC [32].

2.1.2 Tricalciumphosphate (TCP)

Tricalciumphosphate haben ein Ca/P-Verhältnis von 1,5. Es werden 3 verschiedene Formen unterschieden: α-TCP, β-TCP und das Mineral Whitlockit. β-TCP kommt nicht in der Natur oder biologischem Gewebe vor. Nur die röntgendiffraktometrisch identische und magnesiumhaltige Verbindung Whitlockit wurde in Zahnstein, Blasensteinen und einigen Verkalkungen im Weichgewebe gefunden [7]. Da β-TCP nicht aus wässrigen Lösungen gefällt werden kann, erfolgt die Herstellung durch Sintern einer

DCPA/Calciumcarbonat-Mischung, im Mengenverhältnis 2:1, bei 1000ºC über die Dauer von 24h [25].

(1) 2 CaHPO 4 + CaCO 3 Ca 3 (PO 4 ) 2 + CO 2 + H 2 O DCPA TCP + Kohlendioxid + Wasser + CaCarbonat

Eine andere Möglichkeit der Herstellung bietet die Calcinierung von Calciumdefizitärem Hydroxylapatit oberhalb 800ºC [33].

(2) Ca 2 (HPO 4 )(PO 4 ) 5 OH 3 Ca 3 (PO 4 ) 2 + H 2 O Calcium-defizitärem HA TCP + Wasser

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2. Kenntnisstand

α-TCP kommt als thermodynamisch instabile Phase ebenfalls in biologischen Calcifizierungen nicht vor und kann nur durch Erhitzen von β-TCP hergestellt werden [34]. Bei 1125ºC erfolgt die Umwandlung in α-TCP, welche eine metastabile Hochtemperaturphase der Tricalciumphosphate bei Raum-Temperatur darstellt. TCP wird neben der Herstellung von Calciumphosphat-Zementen [29] auch in der Industrie zur Herstellung von Tierfutterzusätzen und als Düngemittel verwendet [28].

2.1.3 Tetracalciumphosphat (TTCP)

TTCP ist das basischste Calciumorthophosphat, wobei es die einzige Verbindung ist, die ein höheres Ca/P Verhältnis als Hydroxylapatit aufweist (Tabelle 1). Es kann wie TCP nicht aus Wasser gefällt werden, sondern wird durch eine Festkörperreaktion von Calciumcarbonat und

Calciumhydrogenphosphat, in äquimolarer Mischung, oberhalb von 1300ºC hergestellt.

2 CaHPO 4 + 2 CaCO 3 Ca 4 (PO 4 ) 2 O + 2 CO 2 + H 2 O (3) DCPA + CaCarbonat TTCP +

^{Kohlendioxid + Wasser} Die Reaktion muss in trockener Luft, oder in einer Stickstoff-Atmosphäre erfolgen, weil TTCP in Gegenwart von Wasser instabil ist und durch eine

langsame Hydrolyse zu Hydroxylapatit und Calciumoxid zerfällt [19]. (4) 3 Ca 4 (PO 4 ) 2 O + H 2 O 2 Ca 5 (PO 4 ) 3 OH + 2 CaO TTCP + HA Wasser +

^Calciumoxid Wichtig ist außerdem eine schnelle Abkühlung bei der Herstellung, da sich

ansonsten TTCP in α-TCP bzw. Hydroxylapatit umwandelt [35].

2. Kenntnisstand

2.1.4 Hydroxylapatit (HA)

Hydroxylapatit (HA, Ca 5 (PO 4 ) 3 OH) ist von allen Calciumphosphaten unter physiologischen Bedingungen die am wenigsten lösliche und somit auch die stabilste Verbindung [36]. Eine Synthese kann durch mehrtägiges Erhitzen einer stöchiometrischen Calcium- und Phosphatlösung mit einem pH-Wert>9, auf 100ºC in CO 2 -freier Atmosphäre erfolgen [33]. Durch eine Festkörperreaktion mit CaO oder CaCO 3 und einem Calciumphosphat, wie z.B. OCP, DCPA (Gleichung 5) & DCPD entsteht bei einer Temperatur oberhalb 1200ºC und äquimolarer Atmosphäre aus Wasserdampf und Stickstoff ein mikrokristallines HA [33]. Einkristalle werden durch Hydrothermalsynthese erhalten [19]. Auch eine Synthese unter Ausschluss von Wasser ist in Ethanol über den Sol-Gel-Prozess ausgehend von Ca(OEt) 2 und H 3 PO ⁴ möglich [37, 38]. Reines stöchiometrisches Hydroxylapatit kommt in der Natur nicht vor, ist aber dem biologischen Apatit in Knochen und Zähnen sehr ähnlich. Deswegen wird es relativ häufig als biologisch aktive Oberflächenbeschichtung auf chirurgischen und zahnmedizinischen Implantaten eingesetzt [36, 39]. Der biologische HA weicht von der idealen Stöchiometrie ab und hat eine nanokristalline Struktur, wobei andere Bestandteile, wie Flourid-, Natrium-,

^3- Magnesium-und Chloridionen im Austausch gegen Ca ²⁺ - und PO 4 -Ionen eingelagert sein können.

3 CaHPO 4 + 2CaO Ca 5 (PO 4 ) 3 OH + H 2 O (5)

DCPA + Calciumoxid HA +

^Wasser 2.2 Calcium-Phosphat-Zemente (CPC) Calcium-Phosphat-Zemente bestehen aus einer oder

mehreren Pulverkomponenten verschiedener Calciumorthophosphate, die in wässriger Phase zu einem Zement abbinden. Unterschieden werden muss je nach dem Endprodukt der Abbindereaktion zwischen zwei verschiedenen Zementtypen. Die Art des Endprodukts hängt maßgeblich vom pH-Wert der Zementpaste ab.

Oberhalb eines pH-Wertes von 4.2 bildet sich Hydroxylapatit (HA) aus. Wenn

2. Kenntnisstand

durch saure Zusätze, wie z.B. primäre Calcium-Phosphate oder Phosphorsäure, der pH-Wert kleiner als 4.2 eingestellt wird, bildet sich Bruschit (DCPD) aus [40].

Nach Mischung der Edukte in einer wässrigen Lösung bildet sich eine an Calcium und Phosphat übersättigte Phase aus. Bei dem anschließenden Fällungsprozess ist das unterschiedliche Löslichkeitsprodukt (LP) von Zement-Reaktanden und dem Reaktionsprodukt, die treibende Kraft für die Abbindereaktion von Calcium-Phosphat-Zementen [40]. Je nach Temperatur und pH-Wert verändert sich das Löslichkeitsprodukt. Die Darstellung der Veränderung des Löslichkeitsprodukts als Kurve, in Abhängigkeit des pH-Wertes bei konstanter Temperatur, wird als Löslichkeits-Isotherme bezeichnet. Beim Vergleich der Löslichkeits-Isothermen verschiedener Calcium-Phosphate bei einer Temperatur von 37ºC miteinander (Abbildung 1), kann festgestellt werden, dass Hydroxylapatit oberhalb eines pH-Wertes von 4.2 das thermodynamisch stabilste Calciumphosphat darstellt. Dies führt auch dazu, dass sich andere Calcium-Phosphat-Salze lösen und als HA geringer Kristallinität ausfallen [29]. Außerdem erklärt dies auch, warum Hydroxylapatit der Hauptbestandteil des tierischen und menschlichen Hartgewebes ist [40]. Unterhalb eines pH-Wertes von 4.2 ist Calciumhydrogenphosphat (DCPA) das am geringsten lösliche Calciumphosphat. Da DCPA aber in sauren Zementen nur eine sehr geringe Kristallbildungsrate aufweist, bildet sich daher das Dihydrat DCPD (Bruschit). In der Literatur gibt es zahlreiche Artikel über die verschiedenen Arten der Zusammensetzung von Zementsystemen und deren Eigenschaften [29, 41].

Die Reaktivität und die Reaktionsgeschwindigkeit der Calciumphosphate sind von mehreren Faktoren abhängig. Zum einem bestimmt das Löslichkeitsprodukt bzw. die Löslichkeits-Isotherme den Grad der Übersättigung der wässrigen Lösung, und somit auch die Richtung der Reaktion. Zum anderen ist die Reaktionsgeschwindigkeit, bzw. Abbindegeschwindigkeit, von der Lösungsrate der Zementedukte und der Kristallwachstumsrate der Produkte abhängig. Der

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2. Kenntnisstand

Grad der Übersättigung muss daher ein Mehrfaches des Löslichkeitsprodukts des Reaktionsprodukts betragen, um eine Aushärtung des Zementes zu bewirken. Mischungen aus TTCP + OCP, α-TCP oder β-TCP ergeben in wässriger Lösung z.B. keinen abbindungsfähigen Zement, da ihre Löslichkeits-Isotherme am singulären Punkt einen zu geringen Abstand zu der Isotherme des Reaktionsprodukts Hydroxylapatit haben [40]. Die Lösungsrate wiederum ist von der spezifischen Oberfläche der Partikel abhängig und kann über die Partikelgrößenverteilung mittels Mahlung in flüssiger oder fester Phase eingestellt, bzw. optimiert werden [42, 43]

mol l-1

0,01

Calcium-Konzentration /

0,001

0,0001

0,00001

0,000001

Abbildung 1: Berechnete Löslichkeitsisothermen einiger Calciumphosphate in Abhängigkeit

des pH-Werts der Lösung bei 37ºC [44]

2.2.1 Hydroxylapatit (HA) bildende Calcium-Phosphat-Zemente (CPC) Die Chemie der Abbindereaktion ist trotz verschiedener Zusammensetzungen der Pulvermischungen miteinander vergleichbar, wobei bisherige

Untersuchungen zeigen, dass TTCP-DCPA Mischungen nach Gleichung 6 am erfolgsversprechendsten sind und deshalb im Folgenden näher besprochen werden.

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2. Kenntnisstand

(6) Ca 4 (PO 4 ) 2 O + CaHPO 4 + H 2 O Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) + H 2 O TTCP + DCPA HA + Wasser + Wasser

Es zeigte sich, dass diese Mischung in der Lage war, in einer relativ kurzen Abbindezeit ein Zement mit hoher mechanischer Festigkeit zu erzeugen. Als Reaktionsprodukt entsteht nahezu reines Hydroxylapatit ohne Bildung von sauren oder basischen Nebenprodukten [45]. Diese Tatsache, und dass die flüssige Phase am singulären Punkt einen pH-Wert im physiologischen Bereich hat (7,5-8,0), führt zu der guten Biokompatibilität dieses Werkstoffes. Bei Überschuss beider Komponenten ist die Umsetzung zu HA bei einer Temperatur von 37ºC innerhalb von vier Stunden abgeschlossen [46]. Während dieser Zeit bleibt die Geschwindigkeit der Abbindereaktion konstant, was darauf schließen lässt, dass die Geschwindigkeit nicht mit der Menge der Edukte und der im Prozess entstehenden Produkte im Zusammenhang steht [11, 47]. Die Löslichkeitsprodukte beider Zementbestandteile sind zwar am singulären Punkt gleich, aber die Lösungsraten sind verschieden. Um eine gleichgroße Lösungsrate beider zu erhalten, muss die Partikelgröße bzw. die spezifische Oberfläche von TTCP und DCPA durch Mahlung so angepasst werden, das ein Partikelgrößenverhältnis von etwa 10:1 erreicht wird [48]. Üblicherweise werden deshalb mittlere Teilchengrößen von 10-20 μm bei TTCP und 1-2 μm bei DCPA verwendet. Entsprechend ihrem Massenverhältnis von 72,9 % TTCP und 27,1 % DCPA werden sie äquimolar vermischt und unter

Feuchtigkeitsausschluss gelagert. Durch Zugabe von Wasser, welches in dieser Reaktion nur ein Transportmedium ist (wird nicht verbraucht), bindet der Zement. Da die Bildungsrate von Hydroxylapatit in wässriger Lösung aber für die Anwendung viel zu gering ist (2.7 x 10 ^-7 mol Ca 5 (PO 4 ) 3 OH min ^-1 m ^-2 [49]), kann durch Zugabe von Alkaliphosphaten oder Phosphorsäure die Abbindezeit auf wenige Minuten verkürzt werden [50, 51]. Durch Zugabe von 0,25 molarer Natriumphosphatlösung kann z.B. die Reaktion auf 5-8 min beschleunigt werden [52]. Nach 24h Aushärtung ohne Trocknung, erreichen die Zemente je nach Prüfmethode Druckfestigkeiten zwischen 40-60 Mpa und Zugfestigkeiten zwischen 8-10 Mpa. Neben den mehrkomponentigen Zementsystemen ist auch

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2. Kenntnisstand

ein einkomponentiges Zementsystem durch Hydrolyse von α-TCP möglich. Es entsteht dabei ein calciumarmes Hydroxylapatit mit einem Calcium / Phosphat Verhältnis von 1.5 (Gleichung 7) [53].

(7) 3 Ca 3 (PO 4 ) 2 + H 2 O Ca 9 (PO 4 ) 5 (HPO 4 )OH α-TCP calciumarmes HA + Wasser

Hydroxylapatit, als Endprodukt, kommt in vivo zu etwa 60-70% im Knochen und zu 98 % im Zahnschmelz vor [54]. Aufgrund der Tatsache, dass Calciumphosphatzemente eine direkte Verbindung mit Knochen ausbilden können [55], finden die Zemente Anwendung in der Medizin bei der Wiederherstellung von Knochengewebe im nicht tragendem craniofacialen Bereich bis zu einer Größe von 25 cm ² [3], Rekonstruktion der Gehörknöchelchenkette in der Hals-Nasen-Ohren-Chirurgie [3] und in der Augmentation von zahnärztlichen Implantaten, regenerativen

Parodontaldefekten [56] und zur Wurzelkanalfüllung [57].

2.2.2 Bruschit (DCPD) bildende Calcium-Phosphat-Zemente (CPC) Durch den Zusatz von sauren Calciumphosphaten oder Phosphorsäure zu den Zementpasten bis zu einem pH-Wert < 4.2 bildet sich als Endprodukt Bruschit aus [58, 59]. Die Reaktionen werden in Gleichung 8 und 9 dargestellt:

(8) Ca 3 (PO 4 ) 2 + Ca(H 2 PO 4 ) 2 H 2 O + 7 H 2 O 4 CaHPO 4 2H 2 O TCP + MCPM DCPD + Wasser

(9) Ca 3 (PO 4 ) 2 + H 3 PO 4 + 6 H 2 O 3 CaHPO 4 2H 2 O TCP DCPD + Phosphorsäure + Wasser

Bruschit besitzt gegenüber Hydroxylapatit ein sehr schnelles Kristallwachstum und die Zemente reagieren zum Teil sehr schnell und heftig innerhalb von Sekunden ab. Zusätze, wie Pyrophosphat-, Sulfat- oder Citrationen bieten die

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2. Kenntnisstand

Möglichkeit, die Abbindereaktion zu verzögern und klinisch akzeptable Abbindezeiten von 3-8 min, zu erreichen [60]. Wie bei den HA bildenden Zementen ist auch hier die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig von der Lösungsrate, was die Möglichkeit bringt, die Geschwindigkeit über die spezifische Oberfläche zu minimieren, beispielsweise durch Granulation der Pulver [61]. Ein weiterer Unterschied zu den HA bildenden Zementen besteht darin, das Bruschit unter physiologischen Bedingungen löslich ist und damit rein chemisch resorbierbar ist. Das Bruschit löst sich also entweder durch Hydrolyse in wässriger Phase auf oder zeigt eine Phasenumwandlung zum thermodynamisch stabileren Hydroxylapatit [62]. Untersuchungen zeigten, dass bei täglichem Auswechseln der Flüssigkeit, wie es in vitro vorkommt, ein Masseverlust von etwa 60-70% nach 28 Tagen erreicht wird [63].

2.2.3 Reaktivitätssteigerung durch Mahlung/mechanische Aktivierung Das Abbindeverhalten der Calciumphosphat-Zemente wird von der

Vorbehandlung der Zementpulver beeinflusst, wobei die Mahlung der Pulver in flüssiger oder fester Phase das geeignete Verfahren für die Einstellung der Korngröße und Reaktivität darstellt. Das Mahlen der Partikel führt zu einer Oberflächenvergrößerung und somit auch zu einer höheren Löslichkeitsrate. Das Löslichkeitsprodukt bleibt dabei aber zunächst so gut wie unverändert. Werden die Pulver aber über einen längeren Zeitraum gemahlen, verändert sich auch die thermodynamische Löslichkeit (Löslichkeitsprodukt). Es kommt zu einer plastischen Verformung der Partikel mit Veränderung der Kristallinität durch Gefügedefekte bis hin zu einer Phasenumwandlung in einen amorphen Zustand. Des Weiteren findet eine mechanische Aktivierung statt, die eine starke Zunahme der Bildungsenthalpie ΔH bewirkt und durch differentielle Thermokalorimetrie und Thermogravimetrie nachgewiesen werden kann [44]. β-TCP Pulver zeigt wegen seiner Ein einphasiges kristallines

thermodynamischen Stabilität unter einer normalen physiologischen Temperatur keine Hydrolyse und Umwandlung zu calciumarmen Hydroxylapatit (CDHA) [40]. Durch Kugelmahlung in Ethanol über einen Zeitraum von 24h

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2. Kenntnisstand

kann eine mechanische Aktivierung des β-TCP und eine teilweise Phasenumwandlung in den amorphen Zustand erfolgen. Dies führte dazu, dass die Zementpaste innerhalb klinisch akzeptabler Zeiten (5-6 min) zu calciumarmem Hydroxylapatit abbindet [64, 65].

2.3 Disperse Systeme

Bei einem dispersen System liegt ein zwei- bzw. mehrphasiges System vor, in dem eine zusammenhängende Phase (Dispersionsmittel, z.B. Lösungsmittel) ein gewisse Menge an einer weiteren Phase (Dispergent, Disperse Phase, z.B. Tropfen, Partikeln, Blasen) enthält. Eine Einteilung der dispersen Systeme kann nach der Größe der dispergierten Phase, dem Phasenzustand und nach dem Anteil der dispersen Phase am Gesamtsystem erfolgen [66]:

Größe der dispergierten Phase o

Phasenzustand in o

Anteil der dispersen Phase am Gesamtsystem o

In dieser Arbeit stehen jedoch Suspensionen (Flüssigkeit + Feststoff) im Vordergrund, weshalb auf diese im Folgenden näher eingegangen wird.

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