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Biokompatible Oberflächen und dünne Schichten Biokompatibilität selbst ist als Oberbegriff über verschiedene Stufen der Anpassung von Implantaten oder Materialien im Kontakt mit biologischen bzw. menschlichen Geweben, der entsprechend von chemischen, physikalischen, biologischen oder strukturellen Wechselwirkungen genauer untersetzt werden muss. Trotz einer Forschungs- und Entwicklungszeit von inzwischen mehr als 50 Jahren sind bei zur Zeit im klinischen Alltag eingesetzten Implantatmaterialien teilweise noch Revisionsraten von über 10% vorhanden, die größtenteils durch die Erzeugung von Abriebpartikeln oder die Anreicherung von Korrosionsprodukten im umgebenden Gewebe hervorgerufen werden. Am IOM werden neuartige Oberflächenmodifizierungen hauptsächlich für metallische Implantate mit dem Einsatz als Gelenkersatz oder zur Frakturversorgung entwickelt (siehe Abb. 1). Es findet eine enge Zusammenarbeit mit dem
Als ursächlich kann häufig der Dualismus von Oberflächen- und Volumeneigenschaften angesehen werden. Die mechanischen Eigenschaften von Knochenimplantaten sollen möglichst nahe an denen von Knochen liegen, wobei dann eine entsprechend suboptimale Oberflächenhärte und Verschleißresistenz, insbesondere von rostfreien Edelstählen und Titanlegierungen in Kauf genommen wird. Entsprechende Oberflächenmodifizierungen können hier positive Veränderungen hervorrufen (vergleiche Abb. 2), wobei aber speziell auf die Grenzfläche der funktionalisierten Oberfläche zum Substrat, eventuelle Rissbildungen oder Defekten in der Oberflächenschicht sowie eine ausreichende Lebensdauer, d.h. Schichtdicke geachtet werden muss. Gleichzeitig kann durch eine solche Modifizierung die Korrosionsrate und damit die Freisetzung von Ionen aus dem Implantat verringert werden. Bei der Optimierung der physikalischen und tribologischen Eigenschaften ist darauf zu achten, dass durch die biologische Umgebung Veränderungen im Passivierungsverhalten oder im Reibwert auftreten können, die bei konventionellen Experimenten nicht mit berücksichtigt werden.
Die nachfolgenden Generationen von Biomaterialien sind als bioaktiv einzustufen, wobei teilweise schon spezifische Prozesse in den Zellen stimuliert werden. Neben der gezielten Strukturierung von Oberflächen sowohl im Nanometer- als auch im Mikrometerbereich, die zur verbesserten Zelladhäsion und –proliferation führt, ist insbesondere die gezielte Induktion der abiotischen Oberflächenmineralisierung von Implantatmaterialien zu nennen, die ebenfalls zu einer verbesserten Osseointegration führt. Für zukünftige Materialien ist weiterhin die Integration verschiedener Eigenschaften in einem Material angestrebt. Neben einer entsprechenden Verschleiß- und Korrosionsresistenz in Kombination mit Bioaktivität sind zusätzlich Bioresorbierbarkeit, über den biologisch relevanten Zeitraum von 6 – 9 Monaten, oder auch eine antibakterielle Oberflächenausrüstung mittels Oberflächenmodifizierung zu erreichen.
Ausgewählte Publikationen zu diesem Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt
Kontakt
Prof. Dr. Dr. h.c. Bernd Rauschenbach Siehe auch
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Translationszentrum für Regenerative Medizin
