Preparation and characterization of DCPD-forming calcium phosphate cements and of cement-protein drug microparticle composites for bone tissue engineering

Abstract

A composite consisting of a DCPD-forming calcium phosphate cement matrix and incorporated protein loaded polycaprolactone (PCL) microparticles was developed. The system was intended as model for a highly biocompatible, degradable bone void filler with tailored drug release profiles for one or more growth factors that will enable the optimal support of the healing process of larger bone defects. DCPD-forming calcium phosphate cements are known to have very short setting times. Chemical retardation of the setting reaction using different amounts of sodium citrate resulted in prolonged, now useful, working times but a pronounced loss in mechanical strength. The increment of the setting time and the decrement of the mechanical strength followed exponential trends. Therefore, temperature reduction during setting was introduced as highly predictably method to increase the setting time without negatively affecting the mechanical strength of the set cement. The physico-chemical processes during the setting of the cement were observed with several analytical techniques including isothermal differential scanning calorimetry (iDSC), ATR-FTIR and mechanical testing. The benefits and drawbacks of the mentioned methods were evaluated. For an improved monitoring of the setting, a time-resolved powder x-ray diffractometry (PXRD) method was developed. The combination of this method with iDSC was found to be most effective in obtaining data on the current amount of crystalline reactants and products in the sample and on the current reaction rates. Lysozyme was used as model protein for a growth factor, due to its partial comparability to BMP-2. The release of the model protein from the pure cement was complete within 48 h, which was too short. Porous PCL microparticles with different release profiles and continuous release for at least two weeks, but also up to more than two months, could be prepared. This range of release profiles was sufficient to enable the controlled release of several growth factors. Within the cement-microparticle composites, the release of the model protein was virtually only controlled by the incorporated microparticles. Due to the slow degradation of the polymer and the large molecule size of the model protein, the microparticles had to be porous to provide drug release. This porosity resulted in an unwanted sensitivity to compression of the composite. High compressive forces resulted in a faster and higher total protein release, most likely because of the formation of new ports between the pores of the microparticles. The premixed cement showed a pronounced loss in mechanical strength after storage under not absolutely dry conditions. The mechanisms behind this phenomenon were evaluated with iDSC, ATR-FTIR, mechanical testing, PXRD and dynamic vapor sorption (DVS). The results from the different methods showed some differences, which could be attributed to inherent limitations of the single methods. The introduction of the DVS technique allowed the quantification of the “ageing” based on mass changes during humidity treatment.

Ein Komposit aus einem DCPD-bildenden Calciumphosphatzement und darin eingelagerten Polycaprolacton-Mikropartikeln wurde entwickelt. Dieses System diente als Modell für einen biokompatiblen, bioabbaubaren Knochenfüller mit definierten Freigabeverhalten für einen oder mehrere Wachstumsfaktoren. DCPD- bildende Calciumphosphatzemente sind für ihre rasche Aushärtung bekannt. Die chemische Verzögerung der Aushärtung durch Zugabe von Natriumcitrat führte zu einer deutlichen Verlängerung der Verarbeitungszeit jedoch auch zu einem massiven Verlust an Endfestigkeit des ausgehärteten Zements. Durch Erniedrigung der Temperatur während des Aushärtens, konnte die Abbindezeit sehr gut voraussagbar verlängert werden, ohne dass dabei die Endfestigkeit des Zements negativ beeinflusst wurde. Die physikalisch-chemischen Prozesse während des Aushärtens des Zements wurden mit verschiedenen analytischen Methoden untersucht. Dazu gehörten die isotherme DSC, ATR-FTIR und mechanische Tests. Die Vor- und Nachteile der jeweiligen Methoden wurden untersucht. Für eine bessere Beobachtung der Vorgänge während des Aushärtens wurde eine zeitaufgelöste PXRD-Methode entwickelt. In Kombination mit der isothermen DSC konnten so detaillierte Informationen über die Mengen noch kristallin vorliegender Edukte und bereits auskristallisierte Produkte, sowie über die Reaktionskinetik erhalten werden. Lysozym wurde als Modellprotein für den Wachstumsfaktor BMP-2 verwendet. Die Freisetzung dieses Modellproteins aus der reinen Zementmatrix war bereits nach ca. 48 h abgeschlossen, was für die Freisetzung des tatsächlichen Wachstumsfaktors deutlich zu kurz wäre. Durch die Verkapselung des Proteins in Polycaprolacton-Mikropartikel konnte die Freisetzung auf mindestens 14 Tage verlängert werden. Veränderungen im Herstellungsprozess der Mikropartikel erlaubten die kontinuierliche Freisetzung über mehr als zwei Monate, was für eine Vielzahl von Wachstumsfaktoren ausreichend wäre. Innerhalb der Komposite war die Freisetzung des Modellproteins ins umliegende Medium praktisch nur von den Mikropartikeln abhängig. Aufgrund des langsamen Abbaus des verwendeten Polycaprolactons und der Größe des verwendeten Proteins, mussten die Mikropartikel porös sein. Dies führte dazu, dass die Freisetzung aus den Mikropartikeln durch Kompression beeinflusst werden konnte. Hohe Kompressionskräfte während der Herstellung des Komposits führten zu einer schnelleren und insgesamt höheren Freisetzung des Modellproteins, wahrscheinlich aufgrund der Bildung von neuen Verbindungen zwischen den einzelnen Poren der Mikropartikel. Der vorgemischte Zement zeigte eine rasche Abnahme seiner Endfestigkeit nach Lagerung im nicht absolut Trockenen. Die hinter dieser Beobachtung stehenden Prozesse wurden mittels isothermer DSC, ATR-FTIR, mechanischer Tests, PXRD und dynamischer Wasserdampfsorption (DVS) untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse unterschieden sich teilweise recht deutlich, was auf die Messprinzipien der unterschiedlichen Techniken zurückgeführt werden konnte. Der Einsatz der DVS ermöglichte die Quantifizierung des „Alterungsprozesses“ auf der Basis der veränderten irreversiblen Massenzunahme während der Messungen.