PD Dr. Katrin Hurle

PD Dr. Katrin Hurle

GeoZentrum Nordbayern
Chair of Mineralogy (Prof. Dr. Göbbels)

Room: Room HG 1.205
Schloßgarten 5 a
91054 Erlangen

Research interests

  • Characterization of apatite and brushite forming calcium phosphate cements modified with medical agents (antibiotics, bisphosphonates) for the application as pharmacologically active bone substitute
  • Substitution mechanisms of ionic dopants (Cu2+, Li+, Zn2+,…) in calcium phosphate phases, and their influence on the hydration reaction of calcium phosphate cements
  • Characterization of brushite cements optimized for 3D printing
  • Influence of organic additives (phytic acid, polyethylene glycol…) on the hydration performance of calcium phosphate cements
  • Quantitative XRD analysis of lithium silicate glass ceramics and ZrO2 ceramics for dental applications

Methods

  • Quantitative X-ray diffraction (QXRD) by Rietveld refinement combined with the G-factor method (external standard method); refinement of anisotropic crystallite sizes
  • I-Meter (automated Gillmore needle device) to determine the hardening performance of cements
  • Quantitative in-situ XRD, isothermal heat flow calorimetry and in-situ 1H-TD-NMR for the detailed characterization of cement hydration reactions
  • Influence of organic additives (phytic acid, polyethylene glycol…) on the hydration performance of calcium phosphate cements
  • Determination of specific surface area and particle size distribution by BET and laser diffraction

 

Research projects

  • 3D printing of Li-Brushite/silk fibroin nanocomposites for bone regeneration.

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. April 2022 - 31. March 2024
    Funding source: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
    Abstract

    Bone defects resulting from trauma, tumor removal or bone infections represent a major social challenge, exacerbated by the increasing proportion of elderly patients due to steadily rising life expectancy. The most effective treatment of such bone defects to improve the quality of life of those affected is therefore of high relevance. Despite the impressive progress in the development of synthetic materials for bone regeneration, some clinical problems still remain unsolved. Therefore, the aim of the proposed research project is the development of 3D-printed nanocomposites consisting of brushite cement and silk fibroin (SF), which show high potential to fulfill the structural and biological requirements of human bone and thus to regenerate bone.

  • Wechselwirkungsmechanismen von medizinischen Wirkstoffen mit Calciumphosphatzementen für die Anwendung als pharmakologisch aktiver Knochenersatzstoff

    (Third Party Funds Single)

    Term: since 1. July 2022
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

  • Development of SiO2 – Li2O – P2O5 – ZrO2 dental glass-ceramic systems with extended lifetimes: crystallization mechanisms and resistance to subcritical crack growth

    (Third Party Funds Group – Sub project)

    Overall project: Dental glass-ceramic in the system SiO2 – Li2O – P2O5 – ZrO2
    Term: since 1. October 2021
    Funding source: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    Abstract

    Classes of materials that resemble natural teeth, such as polycrystalline ceramics, glass-ceramics and ceramic-methacrylate composites, have been preferred for tooth replacement for some time.

    The first commercial product was based on a non-stoichiometric multi-component SiO2-Li2O-Al2O3-K2O-P2O5-ZrO2-ZnO system that was pre-crystallised, then melted and injected into a mould made of refractory material. The resulting glass-ceramics reached a degree of crystallisation of ~70 vol% with elongated Li2Si2O5 crystallites exhibiting very good mechanical properties.

    The research approach makes it possible to determine relationships between the mechanical properties, composition and microstructure, either in the glass-ceramic or in the residual glass.

    For this purpose, the influence of the SiO2/Li2O molar ratio on the crystallisation behaviour of Li2SiO3 and Li2Si2O5 phases is analysed and the effect of ZrO2 addition at constant SiO2/Li2O ratio on crystallisation kinetics and network structure of the residual glass is investigated.

  • Crystallographic analysis of Cu2+ doped β-tricalcium phosphate by Rietveld refinement and influence on the hydration kinetics

    (Own Funds)

    Term: 1. January 2019 - 31. December 2021

  • Enzymatisch aktiviertes Abbinden dotierter Calciumphosphatzemente

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. January 2018 - 31. December 2019
    Funding source: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)

  • Mechanistische Analyse von Mineralisationsvorgängen in modifizierten anorganischen Knochenzementen mit enzymatischer Kontrolle der Abbindereaktion

    (Third Party Funds Single)

    Term: 1. March 2017 - 31. May 2020
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Abstract

    Bei der medizinischen Anwendung von Calciumphosphatzementen(CPCs) werden zunehmend minimal-invasive Eingriffe angestrebt, beidenen der Zement direkt in den Defekt injiziert wird. Problematisch istdabei oftmals die Phasenseparation von fester und flüssigerZementphase (filter-pressing). Das beantragte Forschungsprojektbefasst sich daher im ersten Teil mit der Modifizierung der Rheologieund damit der Injizierbarkeit von CPCs durch oberflächenladungstransferierende Additive. Ein bruschit- sowie ein apatitbildender CPCwerden jeweils zur Einstellung einer geeigneten Rheologie mitPhytinsäure (IP6) bzw. Na-Phytat modifiziert. Die Chelatreaktion desIP6 mit Ca2+-Ionen aus der Zementlösung lässt zudem eineVerbesserung der mechanischen Eigenschaften der Zementeerwarten. Die Aushärtereaktion der Zemente wird mechanistischmittels Wärmeflusskalorimetrie, zeitaufgelöster XRD, in-situ 1H-NMR,FTIR bzw. RAMAN-Spektroskopie sowie zeitaufgelöstenFestigkeitsprüfungen untersucht, um ein detailliertes Verständnis desAushärtemechanismus mit IP6 als Additiv zu erzielen. In einemzweiten Projektansatz werden wasserbasierte, präfabrizierteZementpasten realisiert, deren Abbindereaktion durch das EnzymPyrophosphatase initiiert wird. Diese sind aufgrund ihrer einfachenklinischen Anwendbarkeit von hoher praktischer Relevanz. AlsModellsystem wird zunächst eine Suspension von alphaTricalciumphosphat in Wasser mit Pyrophosphationen als Inhibitor derHydratation untersucht. Die Hydratation wird dann durch Zugabe vonPyrophosphatase kontrolliert eingeleitet, wobei die inhibierenden Pyrophosphat- zu abbindebeschleunigenden Orthophosphationengespalteten werden. Auf Grundlage der daraus erzielten Ergebnissewird anschließend ein Struvit-bildender Magnesiumphosphat-Zementmit Zusatz von Seidenfibroin zur Zementflüssigkeit untersucht. DasSeidenfibroin sorgt durch seine Gelierung für außergewöhnlicheMaterialeigenschaften, die Injektion solcher Zementformulierungenwird jedoch durch die sehr schnelle Gelierung des Fibroins verhindert.Im vorliegenden Projekt wird daher als alternative Formulierung einewässrige Suspension von Mg3(PO4)2 mit gelöstemAmmoniumpyrophosphat und Seidenfibroin untersucht. Durch Zugabevon Pyrophosphatase soll ebenfalls Orthophosphat produziertwerden, welches die Bildung von Struvit sowie die Gelierung desSeidenfibroins kontrolliert einleiten soll. Abschließend ist diebiologische Charakterisierung der in dieser Studie entwickeltenZementkomposite durch in vitro Versuche mit osteoblastären undosteoklastären Zelllinien vorgesehen, um die Zytokompatibilität derKomposite und deren grundsätzliche Eignung für die medizinischeAnwendung sicherzustellen. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnissesollen das Verständnis der Abbindereaktion von mineralischenKnochenzementen derart erweitern, dass zukünftig Eigenschaften wiedie Rheologie der Pasten sowie ein durch den Anwender stimuliertesAbbindeverhalten gezielter einstellbar sind.

 

Publications

 

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