Herstellung von porösen multidispersen Strukturen auf Hydroxylapatitbasis über ein Emulsionsverfahren

Einleitung und Zielstellung des Projekts:
Knochen bestehen größten Teils aus Kollagen, Hydroxylapatit und Wasser, die zusammen die Kollagenfibrillen formen. Allen Knochen gemeinsam ist eine relativ dünne äußere Schicht aus kompaktem Knochen, während sich im Inneren ein schwammartiges Gewebe (Spongiosa) befindet. Die Dichte der Spongiosa liegt bei etwa 0,1 – 1 g/cm³, während die der Compacta größer als 1,5 g/cm³ ist. Weiterhin haben Knochen die einzigartige Eigenschaft ohne Narbenbildung einen Defekt zu füllen, solange dieser nicht oberhalb einer kritischen Größe liegt. Eine Heilung des Defektes oberhalb dieser Größe lässt sich nur Implantat erreichen. Dabei nimmt man an, dass Implantate mit einer Porengröße von über 250 µm eine gute Grundlage für Zellbesiedelung bieten.

Ziel dieses Projektes ist ein bioaktives Implantat herzustellen, das langsam abgebaut und durch körpereigenes Knochengewebe ersetzt werden kann.

Experimentelles

Abbildung 1: REM-Aufnahmen der gefriergetrockneten Matrix mit unterschiedlicher Morphologie durch verschiedene Prozessparameter und Ausgangsstoffe hergestellt

© TUB, ES3

Durch ein flexibel anpassbares, schnelles und kostengünstiges Herstellungsverfahren über eine Makroemulsion können Strukturen mit unterschiedlicher Porosität und Porengröße erzeugt werden.

Zunächst wird eine disperse Lösung hergestellt in der dann Keramikpulver suspendiert und Öl emulgiert wird. Die entstandene Makroemulsion wird dabei durch die zugegebenen Stoffe stabilisiert: oberflächenaktive Substanzen bewirken in kürzester Zeit eine Stabilisierung der Öltropfen durch Anlagerung an deren Oberfläche und Herabsetzung der Oberflächenspannung. Auch das feine Keramikpulver begünstigt den Emulgierprozess, indem dieses sich an der Tropfenoberfläche ablagert. Der Einsatz von Biopolymeren hat den Vorteil, dass sowohl Koaleszenz als auch Ostwald-Reifung durch einen sterischen Effekt unterbunden werden. Nach der Herstellung der multiplen Dispersion wird diese in die gewünschte Form gegossen und gefriergetrocknet. Anschließend wird der Ölanteil gelöst.

Durch Änderung verschiedener Parameter, wie Auswahl des Öls, Emulgators, des Keramikpulvers, bzw. Variation der prozentualen Anteile und durch Modifikation des Energieeintrags während des Herstellungsprozesses können sehr unterschiedliche poröse Strukturen erzeugt werden (Abbildung 1).