Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung des Zetapotentials von Calciumphosphaten, um Aussagen über die elektrostatische Stabilisierung der Partikel in flüssiger Phase und damit verbundener Prozesse, wie Agglomeration, Adsorption oder die rheologischen Eigenschaften von Pulversuspensionen machen zu können.
Für den Herstellungs- und Verarbeitungsprozess feinkörniger Calciumphosphat-Zementmischungen spielt das Zetapotential eine entscheidende Rolle. Die Mahlung der Edukte, beispielsweise DCPA, muss zur Erreichung hoher Endfeinheiten in flüssiger Phase erfolgen. Verwendung finden hierbei verschiedene Suspensionsmedien, wie Methanol, Ethanol oder Isopropanol. Suspensionsmedien, die zu einem hohen Zetapotential der Partikeloberfläche führen (Wasser, Alkohol/H3PO4), minimieren die Agglomeration der Partikel und führen zur gewünschten Spaltung von Partikeln und nicht von Agglomeraten. So kann DCPA in Wasser (Zetapotential -18.4mV) bis zu einer mittleren Korngröße von 0.6µm nach 24h aufgemahlen werden, während Isopropanol (Zetapotential -2.8mV) nur eine Endfeinheit von ca. 2µm der mittleren Korngröße ergibt.
Das Zetapotential spielt auch bei der anschließenden Verarbeitung der Zementpasten im Hinblick auf die rheologischen Eigenschaften eine große Rolle. Durch Modifikation der Zementpaste mit mehrwertigen Anionen, etwa Alkaliphosphaten, können hohe Potentiale der Partikeloberfläche im Bereich von -30mV bis -45mV eingestellt werden. Die Partikelaufladung führt zu einer verbesserten Dispergierung feiner Partikel und zu einer Viskositätsabnahme der Zementpaste analog zur Wirkung von Alkalicitraten. Auch die Modifikation der Zemente mit Antibiotika führt teilweise zu starken Änderungen des Zetapotentials. Bei Verwendung von Gentamicinsulfat ist sie sogar mit einer Ladungsumkehr der Partikeloberfläche verbunden. In nachfolgenden Untersuchungen konnte dieses Verhalten mit Änderungen der Abbindeeigenschaften der Zemente in Zusammenhang gebracht werden.
Die Bestimmung des Zetapotentials stellt somit einen nützlichen Parameter zur Abschätzung der Verarbeitungseigenschaften von Calciumphosphat-Pulversuspensionen dar. Durch Modifikation der flüssigen Phase mit Additiven kann Einfluss auf das Zetapotential genommen und so die rheologischen Eigenschaften der Suspension eingestellt werden, etwa um injizierbare Calciumphosphat-Zemente für eine minimal-invasive Applikation der Zementpaste herstellen zu können.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Problemstellung
2. Kenntnisstand und Grundlagen
2.1 Calciumphosphate
2.1.1 Calciumhydrogenphosphat-Anhydrid (DCPA)
2.1.2 Tricalciumphosphate (TCP)
2.1.3 Tetracalciumphosphat (TTCP)
2.1.4 Hydroxylapatit (HA)
2.2 Calcium-Phosphat-Zemente (CPC)
2.2.1 Hydroxylapatit (HA) bildende Calcium-Phosphat-Zemente (CPC)
2.2.2 Bruschit (DCPD) bildende Calcium-Phosphat-Zemente (CPC)
2.2.3 Reaktivitätssteigerung durch Mahlung/mechanische Aktivierung
2.3 Disperse Systeme
2.3.1 Allgemeines Suspensionsverhalten
2.3.2 Stabilität einer Suspension
2.4 Zetapotential
2.4.1 Das Schichtenmodell nach Stern, Helmholz und Gouy-Chapman
2.4.2 Potentialverlauf im Schichtenmodell bei der Elektrophorese
2.4.3 Mechanismen zur Zetapotentialerhöhung
2.5 Elektrokinetische Effekte
2.6 In vivo/vitro Untersuchungen
3. Material und Methode
3.1 Zetapotentialmessaperatur (Zetasizer 3000)
3.2 Messdurchführung
3.3 Calciumphosphate
3.4 Suspensionsmedien
3.5 Antibiotika und Albumin
4. Ergebnisse
4.1 Zetapotentiale in wässriger Phase
4.2 Zetapotentiale in organischen Medien
4.3 Zetapotentiale in Gemischen aus wässriger und organischer Phase
4.4 Zetapotentiale in wässriger Phase mit Pufferlösung
4.5 Einfluss von Additiven auf das Zetapotential in wässriger Phase
4.6 Reproduzierbarkeit der Methode
5. Diskussion
5.1 Zetapotentiale in organischen Medien
5.2 Zetapotentiale in wässriger Phase durch Zusatz von Additiven
6. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Oberflächenladung (Zetapotential) verschiedener Calciumphosphate in wässrigen und organischen Medien. Die Forschungsfrage untersucht, inwieweit das verwendete Mahlmedium die Partikelstabilität und Dispergierbarkeit beeinflusst, um eine optimierte Partikelgrößenverteilung für hochwertige Calciumphosphat-Zementsysteme zu erreichen, sowie die Auswirkungen von Additiven und Wirkstoffen auf diese Oberflächeneigenschaften.
- Charakterisierung des Zetapotentials verschiedener Calciumphosphat-Partikel
- Einfluss von Suspensionsmedien (wässrig vs. organisch) auf die elektrostatische Partikelstabilisierung
- Optimierung der Mahlprozesse und Mahlmedien für Zementpulver
- Untersuchung der Wechselwirkung von Zementpartikeln mit pharmakologisch wirksamen Substanzen (Antibiotika)
Auszug aus dem Buch
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].
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Problemstellung: Beschreibt die steigende Nachfrage nach Knochenersatzstoffen und die Notwendigkeit, Calciumphosphat-Zemente durch ein besseres Verständnis ihrer Oberflächeneigenschaften zu optimieren.
2. Kenntnisstand und Grundlagen: Vermittelt die theoretischen Grundlagen zu Calciumphosphaten, Zementsystemen, dispersen Systemen, dem Zetapotential sowie elektrokinetischen Effekten und deren Rolle in der Medizin.
3. Material und Methode: Erläutert die verwendete Zetapotentialmessapparatur, die Messdurchführung, die Materialherstellung sowie die verwendeten Suspensionsmedien und Additive.
4. Ergebnisse: Präsentiert die gemessenen Zetapotentialwerte für verschiedene Partikel in unterschiedlichen Medien sowie den Einfluss von Zusätzen und die Reproduzierbarkeit der Messungen.
5. Diskussion: Erörtert die Auswirkungen der Suspensionsmedien und Additive auf das Zetapotential und die Mahlbarkeit bzw. Verarbeitbarkeit der Zementpasten.
6. Zusammenfassung: Fasst die Erkenntnisse zur Bedeutung des Zetapotentials für die Optimierung der Partikelgrößenverteilung und der rheologischen Eigenschaften von Zementen zusammen.
Schlüsselwörter
Zetapotential, Calciumphosphat-Zemente, CPC, Hydroxylapatit, Suspension, Partikelstabilität, Mahlprozess, elektrokinetische Effekte, Antibiotika, Knochenersatzwerkstoff, Oberflächenladung, Dispergierung, Reaktivität, Biomaterialien, Zementformulierungen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Dissertation grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Bestimmung des Zetapotentials von Calciumphosphat-Partikeln, um deren Verhalten in flüssigen Phasen und deren Eignung als Knochenersatzmaterial zu bewerten.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zentrale Themen sind die elektrostatische Partikelstabilisierung, die Optimierung von Mahlprozessen in verschiedenen Suspensionsmedien sowie die Beeinflussung der Zementeigenschaften durch Additive wie Antibiotika.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen dem Zetapotential und der Mahlbarkeit bzw. der Verarbeitbarkeit der Zementpasten zu identifizieren, um Zemente für medizinische Anwendungen zu verbessern.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) mit dem Zetasizer 3000 zur Messung der elektrophoretischen Mobilität genutzt, um daraus das Zetapotential zu bestimmen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische Einführung, die Beschreibung der experimentellen Methoden sowie die ausführliche Darstellung und Diskussion der erzielten Messergebnisse.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Zetapotential, Calciumphosphat-Zemente, Partikelstabilität, elektrostatische Stabilisierung und rheologische Eigenschaften.
Warum spielt das Zetapotential eine Rolle für die Zementqualität?
Es dient als Maß für die elektrostatische Stabilität der Partikel. Ein hohes Zetapotential verhindert die unerwünschte Agglomeration während der Mahlung und beeinflusst die Viskosität der resultierenden Zementpasten.
Welchen Einfluss haben Antibiotika auf die Zementeigenschaften?
Die Studie zeigt, dass bestimmte Antibiotika wie Gentamicinsulfat die Oberflächenladung stark beeinflussen und teilweise zu einer Ladungsumkehr führen, was die Abbindezeit und mechanische Eigenschaften der Zemente verändern kann.
- Arbeit zitieren
- Dr. Kai-Uwe Schimmang (Autor:in), 2006, Bestimmung des Zetapotentials von Calcium-Phosphat-Partikeln in wässriger und organischer Phase, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/64331
