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Bioaktive Implantate

Im Arbeitsbereich "Bioaktive Implanate" untersuchen wir die Mechanismen der Korrosion metallischer Biomaterialien mit dem Ziel, sie für klinische Anwendungen modifizieren und kontrollieren zu können und somit die Anwendung biodegradabler Metalle als Implantatmaterial zu ermöglichen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Charakterisierung der ablaufenden Immunreaktionen nach Implantation der Materialien zur Beurteilung ihrer Biokompatibilität.

Forschungsschwerpunkt

Magnesium basierte Implantate

Offen poröse Implantate aus Magnesium haben gegenüber permanenten Implantaten einige Vorteile: Sie haben ein reduziertes Volumen und führen zu einer geringeren Freisetzung von Degradationsprodukten. Dabei muss das Implantat eine ausreichende mechanische Stabilisierung der Fraktur oder Osteotomie gewährleisten. Offen poröse und mechanisch belastbare Scaffolds können beispielsweise mittels Flüssigphasen-Sintern oder Laser Selective Melting (LSM) hergestellt werden. Dieses Verfahren, haben wir in Kooperation mit unseren Partnern am Fraunhofer Institut für Lasertechnologie in Aachen entwickelt.

Anwendungs-spezifische Beschichtungen ermöglichen eine Kontrolle der Korrosion und verbessern die Zellverträglichkeit magnesiumbasierter Implantate. Wir arbeiten an verschiedenen Beschichtungsmethoden, insbesondere solchen, die mittels Immersions-Technik aufgebracht werden. Weitere Möglichkeiten der Korrosionssteuerung sind das Einbringen von weiteren Elementen in die Oberfläche und Korrosionsschicht aus einer speziell modifizierten Magnesiumlegierung.

Perfusion-Bioreaktoren dienen der in vitro Korrosionsanalyse. Dabei kann der Einfluss von wechselnden, dynamischen Bedingungen auf die Korrosion und die Zellinteraktion untersucht werden. Da die Korrosionsrate stark durch das biologische Milieu beeinflusst wird, zeigen sich beim Abgleich mit in vivo erhobenen Daten zumeist große Unterschiede. Die Perfusions-Bioreaktoren können helfen diese Lücke zumindest teilweise zu schließen.

Fremdkörper- Antwort

Grundsätzlich haben sich im Körper auflösende Implantate gegenüber permanenten den Vorteil, dass ein zweiter chirurgischer Eingriff zur Implantatentnahme entfällt. Da durch die freigesetzten Korrosionsprodukte aber auch stärkere Fremdkörper-Antworten erzeugt werden könnten, muss die Bio-Verträglichkeit vor klinischer Verwendung neuer Materialien untersucht werden.

Unsere Arbeitsgruppe hat dazu ein Immun-Zell Panel etabliert, das eine Charakterisierung des Immunzell-Status und damit eine Einschätzung der Biokompatibilität ermöglicht. Zur Etablierung haben wir zunächst verschiedene permanente (PEEK, Polystyrene) und auflösbare Materialien (pures Magnesium) in in vivo Modelle implantiert. Nach festgelegten Zeitpunkten wurde die sich gebildete Fremdkörperkapsel entnommen und die enthaltenen Immunzellen isoliert und mit speziellen Oberflächen-Antikörpern markiert. Im Flow Cytometer erfolgte dann die Quantifizierung der verschiedenen Immunzell-Subgruppen.
Um systemische Reaktionen erfassen zu können, erfolgten die Analysen zusätzlich in Blut und Milzproben.

Die Ergebnisse zeigten eine moderate Fremdkörper-Antwort auf alle Materialien mit einer frühen Einwanderung von Granulozyten gefolgt von Makrophagen und T-Zellen. Die Korrosion des Magnesium führte zu keiner gesteigerten Fremdkörper-Antwort, was für eine gute Bioverträglichkeit spricht.