Sven Henning

Morphologie und Mikromechanik von Knochen und neuartigen, partiell resorbierbaren Knochenzementen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 01.11.2006

Abstract
Die Entwicklung biokompatibler Werkstoffe zum zeitweiligen oder dauerhaften Ersatz von Knochensubstanz oder zur stabilen Verankerung von Endoprothesen im Knochen verfolgt zwei Hauptziele. Erstens wird eine strukturelle Kompatibilität, d.h., die Fähigkeit, den im biomechanischen Zusammenhang gestellten mechanischen Anforderungen zu genügen, angestrebt. Zweitens ist eine Verträglichkeit zwischen dem Implantat und dem lebenden Organismus im Sinne eines bioinerten oder bioaktiven Verhaltens gefordert, welche gegebenenfalls eine biologische Resorption des Implantatwerkstoffes einschliesst (Oberflächenkompatibilität). Der hier gewählte Ansatz umfasst die Nachahmung von Nanostrukturen, mikromechanischen Mechanismen und mechanischen Eigenschaften des Knochens.
Daher steht zunächst die Aufklärung der eigenschaftsbestimmenden morphologischen Parameter und mikromechanischen Mechanismen des Knochens im Vordergrund. Ergebnis der Arbeiten ist eine neue Definition des kompakten Knochens als Nanokompositwerkstoff: Knochen besteht aus hybriden Nanofasern mit typischen Durchmessern von 75 bis 100 nm, welche hauptsächlich aus Kollagen und Hydroxylapatit (HA) aufgebaut sind. Die Nanopartikel sind irreguläre, exfolierte Plättchen mit typischen Abmessungen von 50x25x5 nm. Die hybriden Nanofasern steuern die bei Deformation und Bruch ablaufenden mikromechanischen Prozesse, welche als crazeartige Mechanismen identifiziert wurden.
Es wird gezeigt, dass mikrostrukturierte, bioaktive Komposite - obwohl sie durchaus die Knochenneubildung stimulieren oder führen können - den mechanischen Mindestanforderungen nicht genügen. Poren, Parikelagglomerate und/oder ein Verlust der Kopplung zwischen Füllstoff und Matrix durch Wasseraufnahme führen zu einer Zerrüttung des Materials. In der vorliegenden Arbeit werden Herstellungsverfahren für neuartige nanokomposite vorgeschlagen. Der Übergang von mikro- zu nanostrukturierten Kompositen ermöglicht die Schaffung eines biomimetischen Knochenersatzwerkstoffes, bei welchem osteoinduktive bzw. osteokonduktive Eigenschaften mit verbesserten mechanischen Eigenschaften kombiniert werden.

The development of biocompatible materials for the permanent or temporary replacement of bone substance or for the stable fixation of endoprostheses has got two main aims. Firstly, a structural compatibility, i.e., the ability to fulfil demands in the biomechanical context, must be achieved. Secondly, a surface compatibility is necessary, meaning the compatibility between living organism and implant in the sense either of bioinert, bioactive and/or bioresorbable behaviour. This approach comprehends the mimicry of nanostructures, micromechanical mechanisms, and mechanical properties of compact bone.
Therefore, the clarification of the property determining morphological parameters and micromechanical mechanisms of bone is eminent. The work results in a new definition of compact bone as a nanocomposite: Bone material consists of hybrid nanofibers of typical diameters of 75 to 100 nm that are mainly built of collagen and hydroxy apatite (HA). HA nanoparticles are irregular, exfoliated platelets of a typical size of 50x25x5 nm. The hybrid nanofibers control micromechanical processes of deformation and fracture that can be defined as craze-like mechanisms.
It is shown that microstructured bioactive composite materials, although being able to induce or conduct growth of new bone, suffer from a lack of mechanical stability due to pores, particle agglomerates, and/or weakness of the particle/matrix interface as a result of water uptake. In this work, manufacturing routes for novel nanocomposites are proposed. The transition from micro- to nanostructured composites allows to create biomimetic materials that combine osteoinductive/osteoconductive behaviour and improved mechanical properties.

Keywords:
Knochen, Nanostruktur, Mikromechanik, Knochenersatz, Knochenzement, Nanokomposite, Elektronenmikroskopie

bone, bone nanostructure, bone micromechanics, bone cement, bone substitute, nanocomposites, electron microscopy

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhalt
1 Einleitung (1-2)
2 Grundlagen (3-47)
3 Experimente (48-64)
4 Ergebnisse (65-146)
5 Schlussfolgerungen und Ausblick (147-151)
Literaturverzeichnis, Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen, Fachbegriffe und Formelzeichen (152-169)