Rezeptur und werkstoffkundliche Testung eines monomerfreien Knochenzementes auf Acrylatbasis

Abstract

Das Ziel dieser Studie war es, einen monomerfreien Knochenzement auf Acrylatbasis zu entwickeln und diesen auf seine werkstoffkundlichen Eigenschaften zu untersuchen. Der innovative Knochenzement sollte in seinen Eigenschaften den konventionellen Knochenzementen ähneln, diese aber in Bezug auf ihre Nachteile übertreffen. Die Nachteile der konventionellen Knochenzemente sind: Der Temperaturanstieg von bis zu 70°C während der Abbindereaktion infolge der radikalischen Polymerisation. Der Gehalt an toxischem Restmonomer. Als Folge können Nekrosen und Entzündungsreaktionen im umliegenden Gewebe auftreten. Die Schrumpfspannung der Polymerisation und Rissbildung kann zum Verlust der Verbindung zwischen Knochen und Implantat führen. Die Quellung durch Wasseraufnahme kann die mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich verändern. Verarbeitungszeiten von nur 5min ergeben für den Operateur Schwierigkeiten bei der korrekten Applikation des Materials. Der innovative Knochenzement ist ein Zwei-Komponentensystem. Das Lösungsmittel basiert auf einem in der Säurezahl modifizierten Polymethylmethacrylat (PMMA) gelöst in 96%-Ethanol und Acetessigsäureethylester. Die Pulverkomponente besteht aus einer Mischung von verschiedenen Biokeramikpulvern (TETRA, GB14) und anorganischen Zusätzen (Zinkoxid, Kalziumzirkonphosphat, Natriumfluorid, Titandioxid). Dabei ist die Pulverkomponente Initiator der Abbindereaktion und Füllstoff zugleich. Die Abbindereaktion ist vom Zink(Zn)- und Kalzium (Ca )-Ionen-Gehalt abhängig. Je höher dabei der Gehalt an Zn-Ionen, umso schneller läuft die Abbindereaktion ab. Die Überprüfung der werkstoffkundlichen Eigenschaften qualitativ Biegebruchfestigkeit, Druckfestigkeit und Porosität nach unterschiedlichen Lagerungsbedingungen, erfolgte an sieben Variationen verschiedener Zusammensetzung. Es wurden von jeder Variation 20 gleiche Probekörper hergestellt. Jeweils 10 Probekörper wurden nach 24-stündiger- bzw. nach 1-wöchiger Lagerung in 37°C destilliertem Wasser den Festigkeitsuntersuchungen zugeführt. Zur Überprüfung der Biokompatibilität und Zytotoxiziät wurden die drei Zementvariationen mit den günstigsten mechanischen Eigenschaften ausgesucht. Die Biokompatibilitätstestungen erfolgten unter Beurteilung der Veränderungen an humanen Osteoblasten, im Direktauflagetest und im Eluat-Test. Aus den Untersuchungen ergaben sich für den experimentellen Knochenzement folgende Vorteile: Es tritt während der Abbindereaktion kein Temperaturanstieg auf. Es existieren keine toxischen Komponenten. Der innovative Knochenzement hat konstante Materialeigenschaften, da das Polymer bereits in der Ausgangslösung vorliegt. Eine gute Verbindung zwischen dem natürlichen Gewebe (Knochen) und dem innovativen Zement konnte durch Lichtmikrokopie nachgewiesen werden. Es zeigt sich eine gute Haftung zu Metalloberflächen, sowohl unter trockenen als auch unter feuchten Bedingungen. Über rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen wurden Porengröße von bis zu 250μm ermittelt. Es könnten Knochenzellen in das Material einwachsen. Die Verarbeitungszeit liegt bei ca. 10min und kann durch das Pulver-Flüssigkeits- Verhältnis individualisiert werden. Die Spritzenapplikation ist möglich. Das E-Modul des experimentellen Knochenzementes beträgt 8MPa. Die geforderte Norm ist 50MPa. Da jedoch nur ein geringer Spalt zwischen Knochen und Implantat mit Zement gefüllt wird, liegt die Hauptbelastung auf dem Implantat und dem Knochen. Von der Gewährleistung der Primärstabilität kann ausgegangen werden. Durch die Flexibilität des experimentellen Knochenzementes bilden sich keine Risse im Material. Eine Reduzierung des Stresses an der Grenzfläche Metall- Zement-Knochen ist wahrscheinlich. Obwohl bereits vielversprechende Ergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Biokompatibilität erreicht wurden, sind weiterführende Untersuchungen notwendig, um den gewünschten Einsatz des Materials zu erreichen. Eine endgültige Einschätzung des Materials anhand der ermittelten Daten ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht möglich.

The aim of this study was to develop a monomer free bone cement based on acrylate and its material testing. In its properties, the innovative cement should be more or less similar to the conventional bone cements, but in the best case without most of their disadvantages. The main-disadvantages of conventional bone cements are: Their extreme heat release (up to 70°C) during the setting reaction, because of the radical polymerisation. Subsequently necrosis in the surrounding natural tissue can develop. Absorption of water can reduce the mechanical properties and toxic remnant of monomer can damage the natural tissue. Shrinkage due to the polymerisation reaction can entail crack increase in the material. The short handling time and the complicated application are also negative properties. Therefore it was necessary to create a fixed and reproducable mixture based on an acid number modified poly(methyl methacrylate) (PMMA) solution in connection with bioceramics (TETRA, GB14) and other inorganic materials (zinc oxide, calcium circonium phosphate, natrium fluoride, titan dioxide). The innovative bone cement is a 2-component system. The solvent based on a solution containing ethanol (96%), carboxylic modified PMMA and acetoacetic acid ethyl ester (AAE). The powder component is a mixture of different types of bioceramics and other inorganic materials. The powder is both an initiator as well as a filling component. The setting reaction depends on the content of zinc ions and calcium ions. The higher the content of zinc ions, the faster the reaction. Seven different compositions of the innovative cement were studied. Their mechanical properties were tested qualitatively: bending strength, compressive strength and porosity after various storing conditions. Twenty specimen of each variation were prepared. To simulate natural conditions, one group has been tested after 24 hours, the other after 1 week of storage in distilled water at 37°C. Based on the results of mechanical properties, three variations were selected for further testing of biocompatibility and cell toxicity. The biocompatibility assays were performed using human bone marrow cells in culture in direct contact with the specimen and in contact with liquid extracts containing the cements degradation products. The experimental bone cement has the following advantages: There is no radical polymerisation and no heat release at all. There is no content of toxic components in the innovative material. The experimental bone cement has a good connection to natural tissue (showed by light microscopy) and metal surfaces under dry and wet conditions. Surrounding osteoblasts can grow into the material due to the pore size from up to 250 μm (showed by SEM). The innovative bone cement has constant material properties. The handling time is up to 10 minutes longer than that of conventional bone cements. It is possible to individualize the time by changing the content of the liquid and the powder fraction, the viscosity is determined by the powder/liquid ratio. Application by syringe is possible. The result showed a very low E-module (8 MPa) in comparison to 50 MPa in conventional bone cements. So it may possible to reduce stress in the metal-cement-bone interface. Although the results are promising, further investigations are necessary to make the required use possible. The results reached under laboratory conditions can give no final assessment of the material.