Implantate: Silber und Diamanten gegen Keime und Abrieb

Interview mit Prof. Bernd Stritzker, Institut für Physik, Lehrstuhl für Experimentalphysik IV, Universität Augsburg

Bis zu fünf Prozent aller Patienten, die Gelenkersatz erhalten, müssen nach kurzer Zeit wieder unters Messer. Bakterien, die bei der Implantation in den Körper gelangt sind, oder starker Abrieb von der Oberfläche haben bei ihnen eine Entzündung verursacht, die zur Lockerung des Implantats führt. Eine "wertvolle" Beschichtung für Implantatmaterialien könnte das in Zukunft verhindern.

01.07.2015

Foto: Prof. Bernd Stritzker

Prof. Bernd Stritzker; ©Universität Augsburg

Im Interview mit COMPAMED.de spricht Prof. Bernd Stritzker darüber, wie eine diamantähnliche Beschichtung mit Silberatomen das Implantatversagen reduzieren soll und wie ein Mikrofluidik-Chip bei der Entwicklung Tierversuche teilweise ersetzt.

Herr Prof. Stritzker, was bedeutet DLC-Modifikation?

Prof. Bernd Stritzker: Diamond-like carbon, also diamantähnlicher Kohlenstoff. Dabei handelt es sich um eine gängige Beschichtungstechnik, die seit gut zehn Jahren bekannt ist. Sie wird vor allem in der Mechanik angewendet, weil diese Schichten extrem hart sind und wenig Abrieb haben. Das macht sie auch für medizinische Anwendungen interessant.

Bei Gelenkimplantaten und Endoprothesen ist der Abrieb durch Dauerbelastung ja immer eine wichtige Frage. Gibt es hier bestehende Erfahrungen mit diesen Beschichtungen?

Stritzker: Auch in diesem Bereich gibt es schon DLC-Beschichtungen. Sie zeigen, dass auch hier der Abrieb sehr gering ist. Echte Diamanten sind ja aufgrund des Diamantgitters sehr hart, also wegen der Viererkoordination ihrer Atome: Jedes einzelne Kohlenstoffatom ist darin von vier anderen Kohlenstoffatomen umgeben. In den DLC-Schichten gibt es viele Bereiche, die dieses Diamantgitter haben. Dazwischen liegen allerdings Bereiche, die etwas ungeordneter sind, deshalb heißt es "diamantähnlich".

Sie haben in solche Beschichtungen Silberatome eingebracht. Welche Eigenschaften bringt das bei einem Implantat mit sich?

Stritzker: Durch diesen Silberinhalt werden Bakterien abgetötet, die auf das Implantat oder in die Operationswunde gelangt sind. Im Moment versucht man Entzündungen nach der Implantation noch mit sehr hohen Dosen Antibiotika zu verhindern, was allerdings nicht immer funktioniert.

Die Silber-Beschichtung wirkt gezielter und lokal: Im Körper befindet sich das Implantat in wässriger Umgebung. Die Silberatome erzeugen Ionen in dieser Flüssigkeit, die die Bakterien abtöten. Anfangs tötet das Silber allerdings auch Körperzellen in der Umgebung ab. Wir bringen es aber nur auf die Oberfläche ein, etwa die obersten 50 nm (Nanometer). Deshalb ist es nach Ablauf eines Tages etwa aufgebraucht und Zellen können auf dem Implantat anwachsen. Bakterien, die bei der Implantation in den Körper gelangt sind, sind dann nicht mehr übrig.

Wie wird diese Beschichtung hergestellt?

Stritzker: Das Implantat wird in eine organische Lösung getaucht. Diese Lösung wird schichtweise getrocknet und anschließend mit einem Ionenstrahl verdichtet. Dabei wird das organische Material zerstört. Wasserstoff, Sauerstoff und andere Atome verdampfen, Kohlenstoff bleibt auf der Oberfläche zurück. Durch die Energie des Ionenstrahls entsteht daraus das DLC. Erst zum Schluss geben wir Nanopartikel aus Silber in die Lösung, damit diese auch nur in die obersten Schichten eingebaut werden.

Auf welchen Implantatmaterialien kann dieses Verfahren angewendet werden?

Stritzker: Wir haben sowohl metallische Materialien, also z.B. Titansubstrate, als auch Keramiksubstrate erfolgreich beschichtet.

Foto: Blau beleuchteter Mikrofluidik-Chip

Speziell für diesen Zweck in Augsburg entwickelte Mikrofluidik-Chips, mit denen das Anwachsverhalten von Knochenzellen charakterisiert werden kann, eröffnen eine Alternative zu Tierversuchen; ©Universität Ausgburg/ EP I

Sie haben die Haftfähigkeit der bakteriellen Zellen und der Körperzellen mit speziellen Mikrofluidik-Chips getestet. Wie kann man sich das vorstellen?

Stritzker: In diesem Chip erzeugen wir mit einem Interdigitaltransducer Schallwellen, die sich in der Flüssigkeit ausbreiten. Diese Wellen üben Druck auf Bakterien oder Körperzellen aus, die auf der Oberfläche haften. Wenn man den Druck erhöht, kann man beobachten, nach welcher Zeit die Zellen weggeschwemmt werden und welche Kräfte sie an die Oberfläche binden. Insgesamt hoffen wir, mit den Chips einige Tierversuche zu sparen, indem wir die Haftung der Zellen in diesen physikalischen Tests untersuchen. Die Haftfähigkeit haben wir zusammen mit unseren medizinischen Kollegen an der TU München und am Universitätsklinikum Mannheim untersucht.

Wie weit ist denn die Entwicklung eines serienreifen Herstellungsverfahrens?

Stritzker: Im Moment nutzen wir die sogenannte Plasma-Immersions-Ionenimplantation. Das ist schon ein sehr preiswertes, effizientes Verfahren, mit dem beliebig dreidimensional geformte Objekte homogen beschichtet werden können. Bisher haben wir ja nur flache Substrate genutzt. Unser Industriepartner, die Aesculap AG, ist jetzt interessiert daran, den Vorgang praxisnah zu testen. Deshalb beschichten wir im Moment realistische Implantationskörper aus Keramik, denn Keramik-auf-Keramik-Lager für Knie- und Hüftgelenke werden von den Medizinern zurzeit als das Optimum gesehen. Die beschichteten Körper werden dann auch direkt in mechanischen Prüflaboren einer Dauerbelastung unterzogen. Dabei werden der Abrieb und die Kräfte, die auf die Oberfläche wirken, gemessen. Und im Moment sehen die Ergebnisse schon sehr gut aus.

Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt von Timo Roth.
COMPAMED.de