Entwicklung bioresorbierbarer und antibakteriell wirksamer Beschichtungen für Gelenkimplantate

Die Implantation eines künstlichen Gelenks, auch bekannt als Endoprothese, ist eine sehr effektive Behandlungsmethode für degenerative Gelenkerkrankungen und traumatische Knochenverletzungen. Trotz ihres Erfolgs gibt es noch Probleme, die angegangen werden müssen, wie zum Beispiel frühzeitige Auslockerung von künstlichen Gelenken, mangelnde Stabilität bei Titanimplantaten für Patienten mit Osteoporose und infektionsbedingte Probleme bei Implantaten. Eine Möglichkeit, die Integration des Implantats in den Knochen zu verbessern, besteht darin, metallische Implantatkörper mit osteokonduktiven keramischen Werkstoffen zu beschichten. Da die Beschichtungen nur dazu dienen, den Knochen an das Implantat heranzuführen, sind degradierbare Schichtwerkstoffe zu bevorzugen. Das primäre Ziel dieser Materialien ist es, die Zeit zwischen der Primärstabilität (der Zeit unmittelbar nach Implantation der Prothese) und der Sekundärstabilität (endgültige Verankerung im Knochen) zu minimieren. Das Degradationsverhalten sollte idealerweise mit der Knochenbildung synchron verlaufen, um eine Knochenreifung und ausreichende Stabilität am Interface sicherzustellen.

Das Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) konnte in einem öffentlich von der DFG geförderten Forschungsprojekt zeigen, dass es möglich ist, dünne Schichten aus resorbierbaren bioaktiven Keramiken und bakteriostatisch/bakterizid wirksamen Metallen wie Silber, Kupfer und Bismut mit dem Hochgeschwindigkeits-Suspensions-Flammspritzen (HVSFS) zu erzeugen (s. Bild 1 und 2).

In einem von der DFG bewilligten Folgeprojekt soll der Fokus nun auf der Optimierung des Prozesses mit einer definierten Porosität liegen. Dazu werden verschiedene Ansätze verwendet, darunter ein neu entwickeltes Konzept für einen Zweiwege-Injektor. Dieses ermöglicht die Eindüsung von Suspensionen an verschiedenen Stellen im Beschichtungsprozess, um Partikelströme mit unterschiedlicher Strömungskinetik und thermischer Belastung zu erzeugen. Damit kann die Schichtporosität eingestellt werden.

Ein weiterer Ansatz ist die Implementierung von Nanopartikeln (NP) in die Schichtsysteme, indem biodegradierbare Silica- und Calciumphosphat-NP synthetisiert und charakterisiert werden, die keine Toxizität aufweisen und ein ähnliches Degradationsverhalten wie die keramischen Materialien in den Schichtsystemen besitzen (s. Bild 3). Diese werden von unserem Projektpartner aus Würzburg entwickelt.

Die Verwendung von Calciumphosphat-Kapseln als NP eröffnet zusätzlich die Möglichkeit, Antibiotika oder antibiotisch wirksame Stoffe in die Schichtsysteme einzubringen, um somit eine Antibiotikaprophylaxe und eine beschleunigte Osteointegration zu erreichen.

Projekt: Dünne abbaubare Beschichtungen zur Optimierung der Osteointegration bei gleichzeitiger Infektionsprophylaxe (OsteoInt)

Fördergeber: DFG

Kooperationspartner:

Lehrstuhl Tissue Engineering und Regenerative Medizin (TERM) am Universitätsklinikum Würzburg

Gewebeersatz, Regeneration und Neogenese (GERN) am Universitätsklinikum Freiburg

Laufzeit: 01.04.2022 bis 31.03.2025