Dünn, aber oho


Mit dem bloßen Auge ist da nichts mehr zu machen. Amorphe Kohlenstoffschichten sind um ein hundertfaches dünner als das feinste Menschenhaar. Und trotzdem können sie riesige Turbinen oder große Schaufeln vor Abrieb schützen. „Ursprünglich wurden Kohlenstoff-Beschichtungen auf Metallwerkzeugen eingesetzt, damit diese nicht so schnell verschleißen. Anfang der 90er Jahre entdeckte man dann ihre Körperverträglichkeit“, sagt Lisa Kleinen, Diplom-Physikerin vom Institut für Dünnschichttechnologie der TU Kaiserslautern.

Seitdem werden amorphe Kohlenstoffschichten in der Medizin eingesetzt: Sie bedecken Knie- und Hüftimplantate, künstliche Herzklappen oder Elektroden. Wenn Ärzte permanente Implantate in den Körper einbringen möchten, gibt es nämlich eine große Hürde: „In der Medizin ist das Material zur Behandlung vorgeschrieben, weil es bestimmten Anforderungen gerecht werden muss. Da kann nichts geändert werden – ein Katheter muss biegsam sein, ein Gelenk stabil“, so Kleinen. Daher richten Mediziner gemeinsam mit Ingenieuren das Augenmerk auf Oberflächen – dort liegt das Potenzial zu Änderungen.

„Man kann Oberflächen auf Materialien aufbringen und variieren, so dass das Implantat besser mit dem Knochen verwachsen kann oder nicht in Blutgefäße einwächst“, erklärt Kleinen. Am Institut für Dünnschichttechnologie arbeitet die Diplom-Physikerin zusammen mit einem Wissenschaftler am Universitätsklinikum in Bonn daran, mit amorphen Kohlenstoffschichten Bakterienfilme auf urologischen Stents zu verhindern.

Eine Kruste überzieht den Stent, das Infektionsrisiko steigt

Harnleiterschienen werden eingesetzt, um einen ungehinderten Urinfluss zwischen Niere und Blase zu garantieren. Das Problem: Organische Biofilme, die sich auf dem Stent ablagern, können im ungünstigen Fall durch Einlagerung anorganischer Salze zu einem kristallinen Bakterienbiofilm werden. Kurz: Eine Kruste überzieht den Stent, das Infektionsrisiko steigt, die Schiene muss ausgewechselt werden.

„Wir beschichten Pigtail-Stents aus Polyurethan mit einer speziellen Schicht“, so Kleinen. „Sie wird mit einem genau bestimmten Parametersatz hergestellt, so dass die Schicht Bakterienbiofilme abweist.“ Amorphe Kohlenstoffschichten bestehen aus lagenartig und tetraedisch gebundenen Kohlenstoffatomen, deren Mischung entscheidend ist: Über die Bindungsverhältnisse können Ingenieure den Schichten verschiedene Eigenschaften zuordnen, indem man Parameter bei der Beschichtung wie Druck, Plasmaleistung oder Gasfluss variiert.

Warum gerade die am Institut für Dünnschichttechnologie entwickelte Schicht die Inkrustation der Stents verhindert, das wissen auch die Forscher nicht so genau. „Wir versuchen den Mechanismus gerade zu ergründen. Es funktioniert, aber wie genau, darüber kann ich noch nichts sagen. Wir sind aber kurz davor die Geschichte zu lösen“, bemerkt Norbert Laube, Privatdozent und Leiter der Abteilung Experimentelle Urologie am Uniklinikum Bonn. Dort wurde der Stent bisher an 50 Patienten getestet. „Unsere Erfahrung zeigt, dass die Liegezeiten der beschichteten Stents verlängert werden.“ Und zwar um das doppelte, laut dem Wissenschaftler

Seit etwa einem Jahr sind die beschichteten Stents im Handel erhältlich. „Es ist aber noch lange kein Standardverfahren, da werden noch Jahre vergehen“, schätzt Laube, der das Produkt mit entwickelt hat. „Schließlich hängt das von der Vermarktung der Firma und der Einstellung der Ärzte ab.“ Und vom Preis. Denn die Stents sind teuer, amorphe Kohlenstoffschichten werden mit einem Vakuumverfahren hergestellt.

Amorphe Kohlenstoffschichten am Anfang der Nutzbarkeit in der Biomedizin

„Die Anlagentechnologie dahinter ist nicht preiswert“, bestätigt Dr. Michael Stüber, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Materialforschung des Forschungszentrums Karlsruhe. Doch trotz teurer Verfahren haben sich Oberflächentechnologien und Beschichtungen zu einem „großen Ding“ entwickelt. „Unheimlich viele Schlüsseltechnologien wurden durch diese Anwendungen mitgeprägt“, sagt Stüber. Das reicht von der gesamten Halbleitertechnologie über Solaranlagen bis zum Einsatz in der Automobilindustrie.

Für die Medizintechnik ist aber ein Stichwort besonders wichtig: Interdisziplinarität. „Fachleute aus unterschiedlichen Disziplinen müssen zusammengebracht werden. Neben dem technischen Verständnis, brauchen wir auch ein biologisches“, betont Stüber. Amorphe Kohlenstoffschichten befänden sich erst am Anfang der Nutzbarkeit in der Biomedizin. Darauf stellen sich neben dem Forschungszentrum Karlsruhe auch andere Institute ein. Auf dem Lehrplan taucht immer öfter ein interdisziplinärer Bereich auf: Biomaterialien.

Wiebke Heiss
COMPAMED.de