title: Cu2+-doped brushite cements for bone replacement: From fundamental research to applicaton relevant properties
title: Cu2+-dotierte Brushit-Zemente als Knochenersatz: Von Grundlagenforschung bis zu anwendungsspezifischen Eigenschaften
Creators: name: Späth, Karla
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: calcium phosphate cement
subject: brushite cement
subject: β-tricalcium phosphate
subject: copper doping
subject: crystal structure
subject: hydration kinetics
subject: application relevant properties

description: Brushite cements are widely known as bone replacement materials for non-load bearing applications. However, there is commonly a high risk for infection after implantation. Treatments with antibiotics are becoming more and more ineffective due to resistant bacterial strains. Therefore, the incorporation of metal ions with antibacterial effects, e.g. Cu2+, is currently a highly investigated alternative. This thesis presents new insights into a Cu2+-doped brushite cement system, consisting of Cu2+-doped β-tricalcium phosphate (β-TCP), monocalcium phosphate monohydrate and phytic acid as setting retarder. In order to acquire a comprehensive overview, fundamental research was performed initially, followed by the evaluation of different application relevant properties. Cu2+ incorporation into the crystal structure of β-TCP was comprehended by a clear reduction of the lattice parameters and the unit cell volume with increasing Cu2+ concentration. Rietveld refinement of the occupancy factors of all Ca2+ sites revealed the incorporation of Cu2+ ions at the Ca(5) and subse-quently the Ca(3) and Ca(2) site. For Cu2+ concentrations of 15 mol% and higher, Ca3Cu3(PO4)4 was observed as copper-containing secondary phase. Consequently, it is suggested that the solid solution limit of Cu2+ in β-TCP lies between 14 and 15 mol%. Cu2+-doping in β-TCP caused a considerable retardation and deceleration of the hydration reaction of brushite cements. Furthermore, only a fraction of the released Cu2+ ions was found remaining in the pore solution. Rietveld refinement of in-situ X-ray diffraction measurements led to the conclusion that the incorporation of Cu2+ into brushite is unlikely. Possible alternative locations for Cu2+ ions are the incorporation into an observed unidentified secondary hydrate phase, as well as binding in phytate che-late complexes with the setting retarder phytic acid. Moreover, several application relevant properties were investigated. All studied cements showed good injectability coefficients, as well as sufficient compressive strengths after hardening. The cell viability for MC3T3-E1 cells cultivated with cement eluates decreased significantly with increasing Cu2+ content in the cement. Furthermore, the anticipated antibacterial effect did not arise in the studied cements. This was irrespective of the Cu2+ content and the bacterial strain. Ion release measurements from immersion of hardened cement samples in different solvent mediums, indicate that the reaction of both, MC3T3-E1 cells and bacteria, is caused by different release behaviours of Cu2+ depending on the solvent me-dium and the used setting retarder.
description: Cu2+-dotierte Brushit-Zemente als Knochenersatz: Von Grundlagenforschung bis zu anwendungsspezifischen Eigenschaften Brushitzemente finden häufig Verwendung als Knochenersatzmaterial für nicht lasttragende Anwendun-gen. Jedoch besteht nach der Implantation ein hohes Infektionsrisiko für Patienten. Da Behandlungen mit Antibiotika aufgrund der Entwicklung von resistenten Bakterienstämmen immer weniger Wirkung zeigen, werden Alternativen gesucht. Eine derzeit stark untersuchte Methode ist der Einsatz von Metal-lionen mit antibakterieller Wirkung. Eine Möglichkeit hierfür ist beispielsweise Cu2+. Die vorliegende Ar-beit soll daher neue Einblicke in ein Cu2+-dotiertes Brushitzement-System liefern, welches aus β-Trical-ciumphosphat (β-TCP), Monocalciumphosphat-Monohydrat und dem Abbindeverzögerer Phytinsäure besteht. Um einen umfassenden Eindruck zu erlangen, wurden zunächst grundlegende Mechanismen untersucht, gefolgt von der Begutachtung verschiedener anwendungsrelevanter Eigenschaften. Der erfolgreiche Einbau von Cu2+ Ionen in das Kristallgitter von β-TCP konnte durch die sukzessive Verkleinerung der Gitterparameter und des Volumens der Elementarzelle mit steigendem Cu2+ Gehalt belegt werden. Weiterhin wurden die Besetzungsfaktoren der Ca2+ Positionen mit Hilfe von Rietveld Verfeinerung berechnet, wodurch gezeigt werden konnte, dass ein Einbau von Cu2+ auf der Ca(5) Po-sition und anschließend auf der Ca(3) und Ca(2) Position stattfindet. Cu2+ Gehalte von 15 Mol% oder höher führen zur Bildung der kupferhaltigen Nebenphase Ca3Cu3(PO4)4. Anhand dieser Ergebnisse kann angenommen werden, dass die Einbaugrenze von Cu2+ in β-TCP zwischen 14 und 15 Mol% liegt. Die Dotierung von β-TCP mit Cu2+ hat sowohl einen deutlich verzögernden, als auch einen verlangsa-menden Effekt auf die Hydratationsreaktion eines Brushitzements. Zudem, zeigen Porenwasser-Analy-sen, dass nur ein Teil des freigesetzten Kupfers im Porenwasser zurückbleibt. Jedoch zeigte die Rietveld Verfeinerung von in-situ Röntgendiffraktometrie Messungen, dass ein Einbau von Cu2+ in die Kristallstruktur von Brushit unwahrscheinlich ist. Alternativ kann das verbleibende Kupfer entweder in einer zweiten Hydratphase gebunden sein, welche bisher nicht identifiziert werden konnte, oder durch die Bildung von Chelat-Komplexen mit dem Abbindeverzögerer Phytinsäure gebunden werden. Abschließend wurde der Zement auf verschiede anwendungsrelevante Eigenschaften überprüft. Dabei konnte sowohl eine gute Injizierbarkeit der Zementpasten als auch eine ausreichende Druckfestigkeit der ausgehärteten Zemente festgestellt werden. Die Kultivierung von MC3T3-E1 Zellen in Zement-Elua-ten führte zu einer Verringerung der Zellviabilität mit steigendem Cu2+ Gehalt im Zement. Des Weiteren wies keiner der untersuchten Zemente den erwarteten antibakteriellen Effekt auf, unabhängig des Cu2+ Gehalts und des verwendeten Bakterienstamms. Die Messung der Ionenfreisetzung aus abgebunde-nem Zement in unterschiedlichen Medien zeigte, dass die Freisetzung von Ionen, insbesondere Cu2+, nicht nur vom Lösungsmedium abhängig ist, sondern auch vom verwendeten Abbindeverzögerer. Es wird angenommen, dass dieser Umstand den Grund für die unterschiedlichen Reaktionen von MC3T3-E1 Zellen und Bakterien darstellt.