Eine Vielfalt von modernen Materialien wird heutzutage als Implantatwerkstoffe mit Stützfunktionen im Organismus eingesetzt. Dazu zählen vor allem Stähle, Titanlegierungen und Titan, keramische Werkstoffe sowie Polymere. Die an der Oberfläche der Implantate ablaufenden Wechselwirkungen mit Gewebe und Körperflüssigkeiten bedürfen einer Untersuchung, weil sie in ungünstigen Fällen zur beschränkten Anwendbarkeit des Implantats, seinem Abbau oder unerwünschten Körperreaktionen führen können. In der Entwicklung moderner Implantatwerkstoffe stellen seit einiger Zeit biokompatible, sich im Organismus auflösende Werkstoffe sowie Wirkstoffe freisetzende Beschichtungen für Permanentimplantate aktuelle Forschungsschwerpunkte dar.
Resorbierbare Implantate mit Einsatzgebiet Bewegungsapparat sollen in idealer Weise für eine notwendige Zeit Stützfunktionen ausüben, danach aber durch biologische Abbauprozesse aus dem Organismus entfernt werden und so eine zweite Operation unnötig machen. Mg-Legierungen sind hierfür gut geeignet, da sie ähnliche Elastizitätsmodule wie das Knochengewebe und eine hohe Biokompatibilität besitzen. Weitere Legierungsbildner, wie z.B. Zn, Li und Seltene Erden werden bei der Auflösung der Legierung im Organismus transportiert, abgelagert und ausgeschieden. Um die Biokompatibilität dieser neuen Legierungen zu testen und den Abbaumechanismus zu klären, wurden
- Oberflächeneigenschaften und Elementverteilungen in den Legierungen vor der Implantation untersucht
- die Konzentration der in den Legierungen enthaltenen Elemente im umgebenden Knochenmaterial, den wichtigsten Organen und in Blut und Urin bestimmt (Ermittlung der Hintergrundwerte)
- die Konzentration dieser Elemente nach unterschiedlicher Verweilzeit der Implantate im tierischen Organismus in allen wichtigen Organen und Flüssigkeiten bestimmt
- Untersuchungen vorgenommen, die zur Klärung des Abbaumechanismus der als Implantat verwendeten Legierung im Organismus beitragen sowie Erklärungen für den beobachteten Wachstumsprozess bei der Knochenneubildung liefern konnten.
Das Aufbringen von Beschichtungen auf Implantaten hat zum Ziel, dass diese nach der Operation besser einheilen. Eine gezielte Medikamentenfreisetzung aus diesen Beschichtungen kann außerdem zur langfristigen Sicherstellung der Funktion des Implantates dienen, wenn beispielsweise entzündungshemmende oder die Zellteilung unterbindende Wirkstoffe, sowie Wachstumshormone für eine optimale Wechselwirkung der Implantatoberflächen mit dem umgebenden Gewebe sorgen. Der Prozess der Freisetzung der Wirkstoffe kann durch das chemische und strukturelle Design der Beschichtung gesteuert werden. Bei der Entwicklung oder Verbesserung derartiger Beschichtungen ist jedoch vor einer klinischen Anwendung eine Kontrolle der Freisetzungsprozesse erforderlich. In unterschiedlichen Studien zur Optimierung von Beschichtungen auf Stents wurden daher Untersuchungen zur Freisetzung der Wirkstoffe und zum Abbau resorbierbarer Beschichtungen durchgeführt. Dazu wurden
- der Abbau von Polylactatbeschichtungen im Tiermodell in Abhängigkeit von der Implantationszeit bestimmt
- der Restenosegrad bei Applikation unterschiedlicher proliferationshemmender Wirkstoffe ermittelt.
Eingesetzte Analyseverfahren
| Analytisches Problem | Eingesetzte Analysenverfahren |
|---|---|
| Bestimmung von Zusammensetzung und Homogenität der Implantatmaterialien vor uns nach Implantation | REM-EDX, µ-RFA, ICP-OES, ICP-MS, PIXE, SY-RFA, IR, Raman |
| Elementgehalte in Knochen, Leber, Blut, Urin vor und nach Implantierung | ICP-MS, LA-ICP-MS, GF-AAS, PIXE, IC, ISE |
| Wechselwirkung Legierung – Proteine aus Knochen (Knochenneubildung) | SY-IR |
| Abbaumechanismus | µ-RFA, PIXE, SY-RFA |
| Restenose in Abhängigkeit vom Wirkstoff in der Beschichtung | µ-RFA, PIXE, µ-Raman |
Kooperationspartner
- Prof. F. Witte, Charité Berlin
- PD Dr. J. Reifenrath, MHH