Materialentwicklung für Implantate

Das richtige Material für die Herstellung eines Implantats zu finden, ist nicht immer einfach, denn es muss medizinischen und werkstofftechnischen Bedingungen genügen. Am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS forschen deshalb Wissenschaftler aus unterschiedlichen Fachbereichen daran, Implantate zu optimieren beziehungsweise neu zu entwickeln. Einer von ihnen ist Dr. Jörg Opitz.

Herr Dr. Opitz, an welchen Materialien haben Sie bislang geforscht?

Jörg Opitz: Das Fraunhofer IKTS forscht hauptsächlich an Keramiken, wie Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, deren Mischungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, Hydroxylapatit sowie Tricalciumphosphat und Siliziumnitrid. Wir entwickeln hier neue keramische Werkstoffe und Komponenten mit verbesserten mechanischen, biologischen und optischen Eigenschaften. Das spielt zum Beispiel bei klassischen Implantaten eine Rolle, etwa Knie- oder Hüftendoprothesen oder im Dental- und Kieferbereich.

Welche Fragestellungen bearbeiten Sie gerade an Ihrem Institut?

Opitz: Zahnimplantate beschäftigen uns derzeit. Hier ist meist die Fragestellung, wie gut das Implantat später einwächst. Es müssen Lösungen erarbeitet werden, um dieses Anwachsen zu optimieren. Dabei geht es zum einen um Materialentwicklung, aber auch um die Entwicklung der Verarbeitungstechnologie. Ein anderes Projekt betrifft die Herstellung einer biomimetischen und abbaubaren Keramik für den Knochenersatz im Kieferbereich. Wir möchten knochenähnliche Strukturen aufbauen: also innen eine poröse und außen eine dichte Struktur bzw. dichte Stützstrukturen mit porösen Bereichen um diese herum. Die Frage ist: Wie kann ich dies keramisch abbilden? Eine mögliche Antwort lautet, innen eine Schaumstruktur herzustellen und äußere bzw. dichte Schichten und Strukturen biomechanisch optimiert zu drucken. Diesbezüglich wird in einem BMBF-geförderten VIP+-Projekt validiert, wie solche komplexen Strukturen als patientenspezifisches Kieferersatzmaterial dienen können. Ein weiteres Beispiel sind Fingergelenksimplantate. Hier wird intern im Projekt "FingerKIt" mit Partnerinstituten eine durchgängig automatisierte Prozesskette untersucht, um Patienten individuell gefertigte Kleingelenksimplantate anbieten zu können. Denn Fingerknochen sind einzigartig, was Einzellösungen erforderlich macht. Eine gängige Behandlung ist bislang oftmals die Versteifung und nicht das Einsetzen eines Implantats. Das möchten wir ändern.

Des Weiteren ist die Funktionalisierung von Oberflächen ein wichtiges Thema. Das heißt, wie kann man es gestalten, dass zum Beispiel bei der Osseointegration das Knochenwachstum angeregt oder im kardiovaskulären Implantat eine Restenose verhindert wird? (Link auf Interview mit Dr. Beshchasna). Immer im Hinterkopf bei der Forschung an einem Implantat ist auch: Wie reagiert das menschliche Immunsystem? Eine IKTS-Arbeitsgruppe am Standort Leipzig hat sich diese Frage als Forschungsschwerpunkt gesetzt und entwickelt eigene Zell-basierte Ansätze (z. B. Makrophagen-basierte Modelle) zur standardisierten In-vitro-Testung von Medizinprodukten. Darüber hinaus arbeiten sie an der Etablierung zerstörungsfreier Untersuchungsmethoden und der Entwicklung von für den Laboralltag geeigneten Tools zur Durchführung quantitativer Zelltests am Material im Direktkontakt.

Welche Testverfahren stehen Ihnen zur Verfügung, um etwa die Wirksamkeit bestimmter Oberflächen zu überprüfen?

Opitz: Als Materialwissenschaftler analysieren und charakterisieren wir zunächst das Material. Es wird in seiner Struktur untersucht, bis hinein in den Nanobereich. Wie reagiert es chemisch, wie mechanisch? Das sind klassische Labortests. Wir haben als Fraunhofer-Institut allerdings auch eigene Verfahren entwickelt. Zum Beispiel die akustische Atomkraftmikroskopie, die sich für dünne Schichten, etwa Grenzflächen zwischen weichem und hartem Gewebe, eignet. Wir entwickeln am IKTS mit Partnern auch einen hochauflösenden Nanoröntgen-CT. Ein Krankenhaus-CT hat heute eine Auflösung von 10 bis 100 Mikrometern, industrielle Computertomografen erreichen auch schon mal 2 Mikrometer. Man kann es aber noch viel kleiner machen.

Verschiedene Gruppen am IKTS arbeitet daran, die Daten verschiedener Tests in einer Abbildung zu korrelieren, um sie dann bewerten zu können. Das ist ein wesentlicher Punkt, denn die Materialien werden immer komplexer. Es handelt sich meist nicht nur um ein Material – besonders in der Medizintechnik kommen immer häufiger Komposite zum Einsatz.

Inwieweit begleiten Sie Kunden bei der Entwicklung von Implantaten?

Opitz: Wir bieten das gesamte Paket an: Werkstoffentwicklung und -auswahl, Formgebung, Funktionalisierung, biologische Beurteilung – im Grunde alles, was der Kunde wünscht. Wenn dieser eine bestimmte Anforderung an ein Implantat stellt, es den Werkstoff dafür aber noch nicht gibt, dann suchen wir für ihn eine Lösung. Oder ein Kunde hat ein fertiges Design und wünscht sich nun einen geeigneten Herstellungsprozess. Dann arbeiten wir an entsprechenden Möglichkeiten.

Wie wichtig ist Ihnen dabei das fachübergreifende Arbeiten?

Opitz: Sehr wichtig. Wir kommen hier aus vielen verschiedenen Fachrichtungen: Physiker, Chemiker, Biologen, Materialwissenschaftler und Designer. Jeder hat einen etwas anderen Blick auf ein Problem. Wir sind mit Absicht sehr breit aufgestellt, um den gesamten Life-Science-Bereich gut abzudecken. Letztendlich möchten wir die Entwicklung besonders langlebiger und individueller Implantate unterstützen. Denn so können Patienten dauerhaft ihre Lebensqualität zurückerhalten.