Kunststoff und Titan statt Haut und Knochen

PZ  Schon in der Frühzeit versuchten Menschen, fehlende Zähne durch Tierzähne, geschnitzte Knochen oder Perlmuttstücke zu ersetzen. Heute beschäftigen sich ganze Forschungszweige mit der Entwicklung biokompatibler Materialien zur Herstellung von Implantaten.

Der Anspruch an die moderne Medizintechnik ist hoch: Zur Herstellung von Implantaten werden nur leistungsfähige Substanzen verwendet. Trotzdem kommt es immer wieder zu Komplikationen. Auch auf die neuen Materialien reagiert das Immunsystem einiger Patienten wie auf krankheitserregende Fremdkörper, heißt es in einer Pressemeldung der Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz.

"Häufig kommt es zu Immunreaktionen oder zur Blutgerinnung, was sich besonders gefährlich bei Implantaten und Prothesen im direkten Blutkontakt auswirkt", erklärt Dr. Carsten Werner, Leiter des Bereichs Biokompatible Materialien am Institut für Polymerforschung in Dresden (IPF).

Eingebaute Gerinnungshemmung

Die Natur hält Lösungen parat: Blutegel und Stechmücken beispielsweise verfügen über blutgerinnungshemmende Substanzen, die weit wirksamer und stabiler sind als der herkömmliche Gerinnungshemmer Heparin. Diese Verbindungen werden von den Forschern des IPF chemisch imitiert und an Implantat-Materialien gebunden.

Die von der Biologie inspirierte Materialforschung hat sich in Dresden etabliert. Erst kürzlich wurde das vom IPF und der Technischen Universität Dresden errichtete "Max Bergmann-Zentrum für Biomaterialien" am Institut für Polymerforschung eingeweiht. Im ersten interdisziplinären Leibniz-Zentrum werden rund achtzig Polymerforscher, Mediziner, Werkstoffspezialisten, Biologen und Chemiker aus unterschiedlichen Forschungseinrichtungen die Entwicklung vorn neuen Materialien für die Medizin vorantreiben, heißt es in der Pressemitteilung.

Längere Haltbarkeit

Eine bessere Bioverträglichkeit von Implantaten haben auch Wissenschaftler des Instituts für Oberflächenmodifizierung in Leipzig (IOM) im Visier. Die Forscher beschäftigen sich mit der Oberfläche von Knochenimplantaten. Neben der Verträglichkeit wollen die Wissenschaftler die chemische und mechanische Haltbarkeit der Implantate verbessern. Gerade Knochenimplantate wie Hüft- oder Kniegelenke sind hohen Belastungen ausgesetzt. Deren komplexe räumliche Gestalt erschwert jedoch die Modifikation der oberflächennahen Bereiche. Außerdem dürfen die günstigen Eigenschaften des Implantatwerkstoffs durch den Modifizierungsprozess nicht beeinträchtigt werden.

Daher setzen die Leipziger Wissenschaftler auf elektrisch geladene Teilchen. Mit der "Plasma-Immersions-Implantation" haben sie ein neues, kostengünstiges und schnelles Verfahren entwickelt, das die Vorteile der Ionen- und Plasmatechnologie vereint. Dabei werden etwa künstliche Hüftgelenke, wegen der guten Bioverträglichkeit oftmals aus Titan, in mit Ionen geladenes Plasma getaucht. So präpariert, lassen sich Prothesen mit gewünschten Eigenschaften versehen, wie etwa Verschleißresistenz oder sogar elektrischer Leitfähigkeit.

Besseres Anwachsen

Mit neuen Eigenschaften von Implantat-Oberflächen warten auch Forscher des Forschungszentrums Rossendorf in Dresden (FZR) auf. Durch künstliche Gelenke lässt sich die Lebensqualität von Patienten, die an schweren Gelenkerkrankungen leiden, erheblich verbessern. Die Voraussetzung: Die Verbindung zwischen Knochen und Gelenk darf sich nicht lösen - das Implantat muss fest verankert sein.

Bei Rheuma- und Osteoporosepatienten bildet sich der Knochen jedoch leicht zurück. Die Folge: Das Gelenk löst sich nach relativ kurzer Zeit und muss ausgetauscht werden. Am FZR gelang es nun, auf der Oberfläche von Implantaten ein künstliche Schicht Knochenmineral zu bilden. Auch hier kommen elektrische Teilchen zum Einsatz. Durch Ionenstrahlverfahren wollen die Forscher erreichen, dass Implantate im Körper wie eigene Knochen anwachsen. In Zellkultur zeigte sich bereits, dass sich Knochenzellen auf der Knochensubstanz tatsächlich schneller vermehren als auf unbehandeltem Metall. Vor allem Risikopatienten könnten von einer solchen Anwendung profitieren.

IPF, IOM und FZR gehören zu den 79 außeruniversitären Forschungsinstituten und Serviceeinrichtungen für die Forschung der Leibniz-Gemeinschaft. Das Spektrum der Leibniz-Institute ist breit und reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Sozial- und Raumwissenschaften bis hin zu den Geisteswissenschaften und Museen mit angeschlossener Forschungsabteilung. Die Institute beschäftigen rund 12.000 Mitarbeiter und haben einen Gesamtetat von 820 Millionen Euro. Sie arbeiten nachfrageorientiert und interdisziplinär. Da sie Vorhaben im gesamtstaatlichen Interesse betreiben, werden sie von Bund und Ländern gemeinsam gefördert. 

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