Research of setting properties and the injectability of magnesium phosphate bone cements

Ziel dieser Arbeit war die experimentelle Untersuchung von selbsthärtenden Magnesiumphosphat Zementen als Knochenersatzmaterial bezüglich der Verarbeitungsqualität, der Temperaturentwicklung beim Abbinden, der Injizierbarkeit und der mechanischen Eigenschaften. Der Schwerpunkt wurde dabei auf die Anpassung der rheologischen Eigenschaften der Zementpaste für eine minimal–invasive Applikation gelegt. Durch eine elektrische Aufladung der Partikeloberfläche von Farringtonit nach Adsorption von Citrat–Ionen und Zusatz der biokompatiblen Füllstoffe Struvit oder TiO2 für die Einstellung einer bimodalen Partikelgrößenverteilung, war es möglich, die Viskosität der Pasten zu erniedrigen und den filter–pressing−Effekt während der Injektion zu unterdrücken. Die Modifikation des Mg3(PO4)2 Pulvers und der flüssigen Phase erlaubte bei einer Verarbeitungszeit von ca. 10 min die nahezu quantitative Injektion des Zements durch eine 40 mm lange Kanüle mit einem inneren Durchmesser von ca. 800 μm. Zemente mit dem P/L–Verhältnis von 2,0 g/ml erreichten so eine Festigkeit von über 50 MPa nach 24 h Aushärtung. Obwohl die exotherme Abbindereaktion der Zemente teilweise zu einer Erwärmung auf bis zu 67 °C führte, geben literaturbekannte in vivo Studien keinen Hinweis auf Nebenwirkungen innerhalb des umliegenden Hart- bzw. Weichgewebes, was den Verdacht einer möglichen thermischen Nekrose aufgrund der exothermen Abbindereaktion ausschließt. Dies liegt eventuell auch darin begründet, dass die Temperaturmessungen in dieser Arbeit mit einer verhältnismäßig großen Menge an Zementpaste (∼15 g) durchgeführt wurden, während in vivo doch eher geringere Mengen (< 5 g) appliziert werden.Aim of the present thesis was to investigate self-setting magnesium phosphate cements as bone substitute material with regard to their setting quality, the temperature development during the setting, the injectability and the mechanical properties. Emphasis was placed on the optimization of the rheological properties of the cement paste for a minimally invasive application. Due to electrostatic repulsion of farringtonite particles after adsorption of citrate ions and addition of struvite or TiO2 for setting a bimodal particle size distribution the injectability was vastly improved. The modification of the Mg3(PO4)2 powder and the liquid phase allowed the quantitative injection of the cement through a 40 mm long cannula with an inner diameter of 800 μm with a setting time of approximately 10 minutes. Cements set at P/L ratio 2.0 demonstrated a compressive strength of more than 50 MPa after curing for 24 hours. Although the cement setting reaction resulted in temperatures of up to 67 °C, in vivo studies indicate no side effects within the surrounding hard or soft tissue, which excludes the suspicion of a possible thermal necrosis due to the exothermic setting reaction. This may also be related to the fact that temperature measurements in this work were carried out with a relatively large amount of cement paste (~15 g), whereas in vivo rather smaller amounts (