Selbstheilung schadenstoleranter Calciumphosphat-Zemente

Universitätsklinikum Würzburg
Friedrich-Schiller-Universität Jena

Die Verwendung von mineralischen Knochenzementen in kraftbelasteten Knochendefekten wird verhindert durch die mangelnde Duktilität und das spröde Bruchverhalten der Werkstoffe. Ziel des Projekts ist die Herstellung schadenstoleranter Calciumphosphat Zemente. Dies wird durch Einbringung duktiler Polyethylenfasern in die Zementmatrix erreicht, die durch Sauerstoff-Plasmabehandlung an der Oberfläche derart modifiziert sind, dass eine chemische Anbindung zur Zementmatrix gewährleistet ist sowie Remineralisationsprozesse ausgelöst werden können. Unter mechanischer Belastung kommt es zur Rissüberbrückung durch die Polymerfasern, wobei Rissausbreitungsenergie durch Reibprozesse zwischen Faser, Grenzfläche und Matrix sowie die plastische Verformung der Faser dissipiert wird. Hiernach induzieren die auf der Faseroberfläche vorhandenen Carboxylgruppen durch ihre Ca2+ Bindungsaffinität die Remineralisation im Riss im Sinne einer intrinsischen Selbstheilung. Ein weiterer Ansatz bedient sich der Verwendung Phosphat-beladener Mikrokapseln aus Polymethylmethacrylat für eine extrinsische Heilung. Die Kapseln werden durch die Rissausbildung eröffnet, wobei reaktive saure Phosphate freigesetzt werden und durch rasche Bildung (< 1 min) von sekundärem Calciumphosphat (Bruschit) oder amorphem Calciumphosphat der Riss verschlossen wird. Im Folgenden führt eine Reaktion der gebildeten Phosphate mit den anorganischen Bestandteilen (HPO42-, Ca2+, CO32-) einer simulierten Körperflüssigkeit (SBF) als Modell der extrazellulären Flüssigkeit zur Umwandlung in Apatit mit einer Zusammensetzung ähnlich der des natürlichen Knochens. Das Projekt umfasst Aspekte der Materialsynthese (Zementherstellung, Faser-Modifikation durch Plasmabehandlung, Herstellung Phosphat-beladenener Mikrokapseln), der mechano-chemischen Charakterisierung der Faser-Zement-Grenzfläche sowie des Remineralisations-verhaltens und der Selbstheilung von Rissen der Zementmatrix in simulierter Körperflüssigkeit.