Medizinische Implantate

Werkstoffe

Werkstoffe im menschlichen Körper: medizinische Implantate

Neben der Mikroelektronik gehört die Medizin zu den Anwendungsbereichen, in denen die Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe von besonderem Interesse ist. Allgemein herrschen in der Werkstoff- und Materialforschung nicht nur Trends zur Miniaturisierung vor, sondern vor allem zur Mimikry, also der Nachahmung von natürlichen Strukturen. In der Medizin steht letzterer Aspekt gerade bei prothetischen Implantaten im Vordergrund. Denn es geht darum, künstlichen partiellen Ersatz für Knochen und Gewebe buchstäblich immer weniger wie „Fremdkörper“ im menschlichen Körper erscheinen zu lassen. Um diesen Nebeneffekt bei orthopädischen Implantaten zu vermeiden, werden besondere Anforderungen an die Werkstoffe gestellt. 

Belastbarkeit und Stabilität – bei Implantaten fast ein nebensächlicher Aspekt

Bei Implantaten, die zum Beispiel eine mechanische Belastbarkeit als Knochenersatz aufweisen müssen, ist eine möglichst lange Verweildauer im menschlichen Körper vorgesehen. Je mehr sie dem natürlichen Vorbild entsprechen, desto uneingeschränkter kann der Patient auch mit dem prothetischen Implantat leben. Generell müssen aber alle Langzeitimplantate eine übergeordnete Voraussetzung erfüllen, die neben der strukturellen Beschaffenheit noch weitere Voraussetzungen der sogenannten Biokompatibilität markieren. Außerhalb der medizinischen Anwendung spielt diese Eigenschaft – wenn überhaupt – nur eine untergeordnete Rolle. In der medizinischen Anwendung hat die inerte Eigenschaft von Werkstoffen allerdings Vorrang vor allem anderen: Es darf keine toxische Migration stattfinden. Diese Voraussetzung erfüllen aber nur die härtesten und darum auch an ihren Oberflächen stabilsten Werkstoffe. Die zusätzliche Oberflächenbehandlung auch weicherer medizinischer Werkstoffe durch Veredelung und Beschichtung ist daher gängige Praxis in der Herstellung von Implantaten. Nur bei stabilen oder migrationssicher versiegelten Oberflächen können die strengen Normen der Biokompatibilität eingehalten werden.
Edelstahl und Titan sind daher weiterhin bevorzugte Werkstoffe für prothetische Implantate bei orthopädischen Anwendungen. Aber sie weisen dann, im Vergleich zu den natürlichen Knochenstrukturen, eben als unerwünschte Eigenschaft eine zu hohe Materialdichte auf. 

Die Steigerung der Biokompatibilität zur Bioaktivität

Allgemein weist der Mega-Trend in der Neu- und Weiterentwicklung von Werkstoffen in die entgegengesetzte Richtung: isotrope und anisotrope Eigenschaften eines Materials so auszurichten, dass bei geringerer Dichte trotzdem ein Maximum an Stabilität und Belastbarkeit gewährleistet ist. Was in der Bionik als Vorlage dient, nämlich strukturelle Eigenschaft nach der Natur auf der molekularen Ebene für große konstruktive Dimensionen nutzbar zu machen, ist für medizinische Anwendungen grundsätzlich anders zu interpretieren: In der Implantologie gilt ein Werkstoff als idealer Werkstoff, wenn er sein natürliches Vorbild nicht übertrifft, sondern möglichst genau trifft. Dieses Potenzial der Mimikry haben vor allem keramische Werkstoffe, die bereits vielfach klinische Verwendung finden. Speziell Zahnimplantate werden als Alternative zu Titan bevorzugt aus der Hochleistungskeramik Zirkonoxid hergestellt. Da das Zahnbein die härteste natürliche Substanz repräsentiert, die im menschlichen Körper existiert, kann hier also problemlos der Vorteil maximaler Härte bei gleichzeitiger Bioverträglichkeit miteinander in Einklang gebracht werden. Allerdings ist maximale Härte in der Implantologie nicht das Ziel, sondern eher ein unerwünschter Nebeneffekt, weil sich die „Einheilung“ eines Implantats verlangsamt. 

Die Bioaktivität, also das Potenzial eines Werkstoffs, sich mit dem umliegenden Gewebe zu verbinden, steht in der aktuellen Werkstoffentwicklung für medizinische Anwendungen im Fokus. Für die Anwendung in der chirurgischen Orthopädie hat sich daher unter den biokeramischen Werkstoffen ein anderer Werkstoff als geeigneteres Substitut für Knochengewebe etabliert. 

Hydroxylapatit – ein Baustein der Natur

Als Biokeramik wird Hydroxylapatit bereits zur Beschichtung von Zahnimplantaten und anderen härteren Trägerkeramiken verwendet, um den Einheilungsprozess zu beschleunigen. Genaugenommen wird die Oberfläche von Implantaten aus harten Oxidkeramiken also „enthärtet“, um eine porösere Oberfläche zu erzielen – und die geforderte Bioaktivität des Implantats somit zu erhöhen. Das Material bildet in seiner natürlichen Erscheinungsweise auch die Grundsubstanz des menschlichen Knochens und der Zähne. Zahnschmelz besteht fast ausschließlich aus dieser Substanz – weshalb sie in der Dentalmedizin auch zum Wiederaufbau von verloren gegangenem Zahnschmelz zum Einsatz kommt. Hydroxylapatit gilt daher als weiterhin aussichtsreichster Kandidat, unter dem Einfluss des nanotechnologischen Fortschritts dem großen Ziel näherzukommen: eines Tages vollwertigen, bioaktiven Ersatzwerkstoff für den menschlichen Knochen zu schaffen. 

Um für ein Implantat die Eigenschaft der Bioaktivität zu erzielen, müssen mehrere Kriterien erfüllt werden: Der Werkstoff muss genügend belastbar sein, dabei aber auch eine geringe Materialdichte aufweisen. Die Härte und gleichzeitige Leichtigkeit eines Werkstoffs kann durch Änderungen der isotropen und anisotropen Struktur beeinflusst werden. Über die funktionale Stabilität hinaus muss das Implantat zudem eine Porosität wenigstens der Oberfläche aufweisen, damit eine aktive Verbindung zwischen dem Implantat und den umliegenden Gewebezellen möglich wird. 

Fazit: Medizinische Werkstoffe werden immer bioaktiver

Eine maximale Form der Bioaktivität von Implantaten würde darin bestehen, für die orthopädische Chirurgie auch Werkstoffe zur Verfügung zu halten, die sich im Körper vollständig auflösen. Nägel, Platten und Schrauben, die bei Knochenbrüchen zum Fixieren eingesetzt werden, müssen nach dem Heilungsprozess in einem zweiten operativen Eingriff wieder entfernt werden. Mit Unterstützung des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen wurde bereits ein solcher, im Körper abbaubarer Werkstoff vorgelegt, der solche zusätzlichen chirurgischen Eingriffe in Zukunft unnötig machen könnte. Wir dürfen gespannt sein, wie sich das Thema weiterentwickelt.

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