1. Einleitung und Aufgabenstellung***
Die in der Natur häufig vorkommenden Calciumcarbonate spielen vor allem im Bereich der Biomineralien eine wichtige Rolle. In den letzten Jahren hat mit dem amorphen Calciumcarbonat (ACC) neben den kristallinen Modifikationen Calcit, Aragonit und Vaterit eine weitere Phase das Interesse der Forscher im Bereich der Biomineralisation geweckt. Trotz seiner Instabilität wurde es in vielen Biomineralien, in denen es durch organische Substanzen stabilisiert wird, nachgewiesen. Ziel der momentanen Forschung ist es, ACC im Labor ohne Zusätze herzustellen. In dieser Arbeit wurde eine bestehende Synthesevorschrift auf Reproduzierbarkeit überprüft und das ACC weiter charakterisiert; vor allem mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie, wodurch geklärt werden sollte, ob das ACC Hydrogencarbonat enthält. Weiterhin wurden die Stabilität und Umwandlung von ACC näher untersucht.
Zusätzlich wurde eine neue Synthese zur Herstellung von Calciumcarbonat-Hexahydrat (Ikait) entwickelt. Ikait wurde bisher in keinem Biomineral gefunden, da er unter Normalbedingungen eine instabile kristalline Phase ist, die nur bei niedrigen Temperaturen stabil ist. Der in dieser Arbeit synthetisierte Ikait wurde mit verschiedenen Analysemethoden charakterisiert; erstmals wurden auch Festkörper-NMR-Untersuchungen am Ikait durchgeführt.
Der menschliche Knochen ist ein hochgradig strukturiertes Kompositmaterial bestehend aus einer anorganischen Phase sowie einer organischen Phase. Bisher gelingt es nur der Natur solche optimierten Komposite herzustellen. Es ist also noch nicht gelungen ein Knochenersatzmaterial zu synthetisieren, das die gleichen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften wie natürlicher Knochen aufweist.[...]
Inhaltsverzeichnis
- 1. Einleitung und Aufgabenstellung
- 2. Theoretische Grundlagen
- 2.1 Calciumcarbonat
- 2.1.1 Die beteiligten Ionen
- 2.1.2 Calciumcarbonat und seine polymorphen Phasen
- 2.1.2.1 Calcit
- 2.1.2.2 Aragonit
- 2.1.2.3 Vaterit
- 2.1.2.4 Monohydrocalcit
- 2.1.2.5 Ikait
- 2.1.2.6 Amorphes Calciumcarbonat (ACC)
- 2.1.3 Calciumcarbonat und Biomineralisation
- 2.2 Calciumphosphate
- 2.2.1 Das Orthophosphat-System
- 2.3 Arteriosklerose und glatte Muskelzellen
- 2.4 Knochen
- 2.4.1 Aufbau von Knochen
- 2.4.2 Zusammensetzung des Knochenminerals
- 2.4.3 Knochenersatzmaterialien
- 3. Verwendete Analysemethoden
- 3.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX)
- 3.2 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
- 3.3 IR-Spektroskopie (IR)
- 3.4 Thermogravimetrie (TG)
- 3.5 Dynamische Differenz-Kalorimetrie (DSC)
- 3.6 Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD)
- 3.7 Kernresonanzspektroskopie (NMR)
- 3.8 Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) und Elementaranalyse (EA)
- 4. Ergebnisse und Diskussion
- 4.1 Calciumcarbonate
- 4.1.1 ACC
- 4.1.2 Ikait
- 4.1.3 Festkörper-NMR-Spektroskopie an Calciumcarbonat-Phasen
- 4.2 Knochenersatzmaterialien
- 4.2.1 Zelltests an synthetischem Knochenersatzmaterial
- 4.2.2 Analyse von zwei Knochenersatzmaterialien
- 4.3 Einfluss von Apatit auf glatte Muskelzellen
- 5. Experimenteller Teil
- 5.1 Herstellung von ACC
- 5.2 Umwandlung von ACC
- 5.3 Herstellung von Ikait
- 5.4 Herstellung von MHC
- 5.5 Fällung von Hydroxylapatit und Carbonatapatit
- 5.6 Apatit für Osteoblasten- und Osteoklastentests
- 5.7 Apatit für Tests mit glatten Muskelzellen
- 6. Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Arbeit untersucht die Synthese und Charakterisierung verschiedener Calciumcarbonat-Phasen und Calciumphosphat-basierter Knochenersatzmaterialien. Hauptziel ist die detaillierte Charakterisierung von amorphem Calciumcarbonat (ACC) und die Entwicklung neuer Synthesewege für metastabile Calciumcarbonat-Phasen wie Ikait. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung der Biokompatibilität und Bioresorbierbarkeit synthetischer Knochenersatzmaterialien mittels Zelltests.
- Synthese und Charakterisierung von amorphem Calciumcarbonat (ACC)
- Entwicklung einer neuen Synthesemethode für Ikait
- Untersuchung der Umwandlungsprozesse verschiedener Calciumcarbonat-Phasen
- Herstellung und Charakterisierung von Calciumphosphat-basierten Knochenersatzmaterialien
- Bewertung der Biokompatibilität und Bioresorbierbarkeit der synthetischen Materialien mittels Zelltests
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1 beschreibt die Aufgabenstellung der Arbeit und die wissenschaftlichen Hintergründe zur Forschung an Calciumcarbonaten und Knochenersatzmaterialien. Kapitel 2 gibt einen umfassenden Überblick über die theoretischen Grundlagen, einschließlich der verschiedenen Polymorphe von Calciumcarbonat (Calcit, Aragonit, Vaterit, Monohydrocalcit, Ikait, ACC), Calciumphosphaten und dem Aufbau von Knochen. Kapitel 3 detailliert die verwendeten Analysemethoden. Kapitel 4 präsentiert die Ergebnisse der Synthese und Charakterisierung von ACC und Ikait sowie die Ergebnisse der Zelltests an den synthetischen Knochenersatzmaterialien und deren Analyse.
Schlüsselwörter
Calciumcarbonat, Polymorphie, amorphes Calciumcarbonat (ACC), Ikait, Monohydrocalcit, Calciumphosphate, Hydroxylapatit, Carbonatapatit, Knochenersatzmaterialien, Biokompatibilität, Bioresorbierbarkeit, Zelltests, Osteoblasten, Osteoklasten, Arteriosklerose, glatte Muskelzellen.
- Quote paper
- Dr. Markus Neumann (Author), 2008, Synthese und Charakterisierung von Calciumcarbonat-Phasen und Calciumphosphat-basierter Knochenersatzmaterialien, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/122321
