Aktive Implantate: die Technik schützen mit Verkapselungen

Prothesen, Implantate und chirurgische Werkzeuge sollen schnell herstellbar und perfekt auf den Patienten zugeschnitten sein, kommen in der Realität aber häufig von der Stange. Aber welche Herstellungsverfahren sind dazu geeignet, die hohen Anforderungen - auch an Größe und Komplexität der Produkte - zu erfüllen? Liefert 3D-Druck eine nachhaltige Lösung? Dies ist eine der zentralen Fragen, die beim 3D fab+print Additive Manufacturing Seminar auf der COMPAMED 2018 behandelt werden sollen.

Åke Senning implantierte 1958 den ersten Herzschrittmacher der Welt bei seinem Patienten Arne Larsson. Das Gerät ähnelte im Aufbau dem unserer modernen Defibrillatoren. Einen zentralen Unterschied gibt es dennoch: Um die Technik zu schützen, wurde sie früher in eine Schuhcremedose verbaut und dann mit Epoxidharz aufgegossen. Erfinder Earl Bakken hatte dabei nicht bedacht, das Polymere Wasser absorbieren können. Das Plastik nahm also Wasser auf, und die Technik wurde schon nach zwei Tagen durch Korrosion zerstört. Hermetisch dichte Verkapselungen sind heute das A und O für aktive Implantate.

Materialen die in Frage kommen, benötigen eine hohe Permeabilität, damit sie keine Korrosion an der Technik zulassen. Deswegen kommen derzeit Glas, Keramik und Metall zum Einsatz. Doch nicht nur der Schutz vor Korrosion ist wichtig, sondern auch, wie belastbar, biokompatibel und elektrisch isolierend der Stoff ist. Jedes der Materialien hat seine eigenen Vor- und Nachteile.

Die meisten Implantate werden heutzutage mit Metall verkapselt, weil es einer hohen mechanischen Belastung standhält. Da sie aber auch selbst korrodieren, müssen sie mit einer Legierung versehen werden. Am häufigsten werden dafür die Metalle Edelstahl, Elgiloy, Niob und das bewährte Titan eingesetzt.  Sie sorgen auch dafür, dass die eingesetzten Metalle biokompatibel werden und den menschlichen Körper nicht vergiften. Das Besondere an Titan ist die Fähigkeit, einen superisolierenden Zustand zu erreichen. Damit ist auch die dritte wichtige Eigenschaft der elektrischen Isolation für Verkapselungen erfüllt.

Immer weniger Implantat-Hersteller nutzen Keramikgehäuse für ihre Technik, obwohl sie ausgezeichnete elektrische Isolationseigenschaften besitzen sowie biokompatibel und günstig sind. Auch haben sie einen Vorteil gegenüber den Metall-Gehäusen: Sie blockieren nicht die Kommunikation mit der Außenwelt. Hersteller können deswegen kleinere und weniger komplexe Implantate bauen, da kein zusätzliches externes Gehäuse für eine Empfangsspule angebaut werden muss. Es gibt aber einen großen Nachteil: Keramik bricht schnell. Durch die hohe Spannung im Stoff entstehen Risse und es kann zu einem Bruch kommen. Trotzdem gibt es Anwendungsfälle für die Gehäuse, wie zum Beispiel bei Cochlea Implantaten, da sie vor allem bei Kindern implantiert werden und daher besonders klein sein müssen.

Glas ist das Material, welches am wenigstens Körperflüssigkeit aufnehmen kann. Genau wie Keramik brichts es jedoch leicht und wird zudem durch Flüssigkeit abgebaut – wie eine Glasscherbe im Fluss. Das hat zur Folge, dass die Stabilität des Implantats nicht gegeben ist. Deswegen werden elektrische Implantate selten mit Glas verkapselt.

Metall wird wohl auch in Zukunft weiter der amtierende Champion der Verkapselungssysteme sein. Keramik und Glas können, was die Stabilität angeht, nicht mithalten. Keramik-Verkapselungen werden zukünftig immer mehr vom Markt verschwinden und nur noch für spezielle Implantate eingesetzt werden. Für die Glas-Verkapselungen sind in Zukunft dank neuer Errungenschaften mehr Anwendungen denkbar. Dennoch werden sowohl Keramik als auch Glas bei weitem nicht den eisernen Thron der Verkapselungen besteigen können.