Herstellung von Polymethacrylat/Calciumphosphat-Implantatwerkstoffen durch den 3D-Pulverdruck

• Main Author: Helf, Christian
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2009
• Subjects: Rapid Prototyping; Knochenersatz; Knochenzement; Methacrylsäuremethylester; ddc:610
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/3288; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-39575; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-39575; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/3288/Christian_Helf_Dissertation.pdf

Die Erstellung von komplex geformtem Knochenersatz wurde durch den 3D-Pulverdruck unter Verwendung von Calciumphosphatmaterialien beschrieben. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war deren Modifikation durch die Verwendung von Methacrylatkunststoffen. Ziel war es, durch die Infiltration von nicht resorbierbaren Kunststoffen, wie sie in kommerziell erhältlichen Knochenzementen verwendet werden, die mechanischen Eigenschaften der nicht gesinterten Keramikstrukturen zu verbessern. Getestet wurden verschiedene Methoden der Infiltration sowie der nachfolgenden Polymerisationsinitiierung durch chemische, thermische oder photochemische Aktivatoren. Daneben erfolgte der Druck von Tricalciumphosphat-Pulvern, die mit Polymethylmethacrylat Partikeln versetzt wurden und durch eine hydraulische Verfestigungsreaktion mit Phosphorsäure aushärten. Die erstellten Materialien wurden auf ihre Porosität, ihre mechanischen Eigenschaften sowie auf die Phasenzusammensetzung ihrer anorganischen Matrix und den Konversionsgrat ihrer organischen Komponente hin untersucht. Es gelang, die freie Porosität der Calciumphosphat-Matrix durch Verwendung von flüssigen, monomeren Kunststoffen zu füllen und diese durch eine thermische Initiierung der radikalischen Polymerisation vollständig zur Aushärtung zu bringen. Bei der Reaktion kommt es neben einer Polymerisationskontraktion im organischen Bestandteil der Kunststoffe zu einer Phasenumwandlung der Bruschitanteile der Calciumphosphat-Matrix. Proben, die mit einem flüssigen Bisphenol-A-Derivat versetzt wurden, zeigten eine Verdreifachung ihrer Festigkeit und erreichten maximale Druckfestigkeiten von 99 MPa, Biegefestigkeiten von 35 MPa und einen E-Modul von 18 GPa. Verglichen mit den biomechanischen Eigenschaften des physiologischen Hartgewebes liegen die Werte damit deutlich über denen von spongiösem und unter denen von kortikalem Knochen. Eine künftige Optimierung erscheint durch die Schaffung einer chemischen Verbundphase zwischen dem anorganischen Calciumphosphat-Gefüge und den Polymerbestandteilen als aussichtsreich. === The production of complex shaped bone graft was described by the 3D powder printing using calcium phosphate materials. The present work dealt with the modification of these materials by adding methylacrylate materials. The objective was to improve the mechanical properties of non-sintered ceramic structures by the infiltration of non-resorbable plastics such as used in commercialized bone cements. Different methods of infiltration as well as chemical, thermal or photochemical polymerization activators have been tested. In addition to that, tricalcium phosphate powders have been enriched by polymethylmethacrylate particles before being printed and cured by an hydraulic hardening reaction with phosphoric acid. The prepared materials have been tested for their porosity, their mechanical properties as well as for the phase composition of their inorganic matrix and the conversion rate of their organic components. It could be achieved to fill the open porosity of printed calcium phosphate matrix by using liquid, monomeric plastics and to cure them completely through a thermal initiation of radical polymerization. Besides the polymerization contraction in the organic component, the thermal treatment led to a phase transformation of the calcium phosphate brushite matrix. Samples, which were infiltrated with a liquid bisphenol-A derivative, showed a threefold increase of their strength and reached a maximum compressive strength of 99 MPa, a flexural strength of 35 MPa and a Young´s modulus of 18 GPa. Compared to biomechanical properties of physiological hard tissues, the levels were significantly higher than those of cancellous and lower than those of cortical bones. To further optimize, it seems promising to create a chemical bond between the inorganic phase of calcium phosphate microstructure and polymer components.