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IGF zum Wohle der Patienten: Weniger Einwachseffekte bei Implantaten

„Anhängliche“ Implantate

In der modernen Medizin werden angesichts der alternden Gesellschaft immer mehr Implantate verwendet. Die Einsatzfelder erstrecken sich von Dentalimplantaten über Herzklappen bis hin zur Versorgung von Knochenfrakturen. Vor allem bei Frakturen werden insbesondere Traumaimplantate und Marknägel eingesetzt, die nicht dauerhaft im Körper verbleiben.

Die Entnahme der Implantate wird häufig durch Ein- und Bewachseffekte von eigenem Körpergewebe erschwert. Knochenzellen können eine sehr hohe Haftung zur Implantatoberfläche aufbauen und schwer entfernbares Gewebe ist nachteilig für die freie Sicht des Operateurs auf das zu entfernende Implantat. Eine reduzierte Zelladhäsion auf der Implantatoberfläche bedeutet dagegen für den Patienten eine komplikationsfreiere Operation bei der Entfernung, insbesondere ein reduziertes Risiko einer Nervenschädigung, sowie möglicherweise kleinere Wunden, geringere Schmerzen und kürzere Wundheilungsphasen – überaus positive Effekte für den Patienten. Damit verbunden senken sich auch die Operations- und Versorgungskosten.

Minimierung der Zelladhäsion

Aus diesem Grund sollte im Rahmen eines Vorhabens der vorwettbewerblichen Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) ein Weg zur Minimierung der Zelladhäsion an Traumaimplantaten entwickelt werden. Im Fokus des interdisziplinären Ansatzes zwischen Materialwissenschaft, Optik, Biologie und Medizintechnik standen die Prozess- und Schichtentwicklung. Weiterführende Schritte, wie eine kundenorientierte Optimierung bis hin zu einer klinischen Studie zur Einführung der zu entwickelnden Technologie sind in bilateraler Kooperation im Projektanschluss vorgesehen.

Ansatzpunkt der Untersuchungen war die Betrachtung der Wechselwirkungen zwischen Implantatoberfläche und Zelle. Hier wurde deutlich, dass die Mikro- oder Nanostruktur der Oberfläche, die Verteilung der topografischen Strukturen sowie chemische Funktionalitäten in der Implantatoberfläche starken Einfluss auf die Adhäsion und das Wachstumsverhalten von Zellen nehmen.

Die Arbeiten im Rahmen des IGF-Projekts konzentrierten sich dabei auf Implantate aus medizinischem Edelstahl, da dieser deutlich preisgünstiger ist als Titan. Dadurch soll sowohl ein Wettbewerbsvorteil für die weitgehend mittelständischen Anbieter im Medizintechnikbereich entstehen als auch ein Kostenvorteil für die allgemeine Gesundheitsversorgung erzielt werden.

Licht als Werkzeug

In dem Vorhaben, das von der AiF-Forschungsvereinigung Feinmechanik, Optik und Medizintechnik koordiniert wurde, sollten erstmals lichtbasierte Technologien zur gezielten Adhäsionsminimierung von Zellen untersucht werden. Mit der kommerziellen Verfügbar­keit so genannter Excimerlaser und Excimerlampen stehen dafür industrietaugliche Systeme zur Oberflächenfunktionalisierung zur Verfügung. Insbesondere Excimerlampen zeichnen sich durch ihre technische Einfachheit und Flexibilität sowie geringe Investitions- und  Betriebskosten aus. Die Prozessvorteile sind eine nahezu freie Wahl des Implantatmaterials, eine materialschonende Behandlung sowie die Möglichkeit zur lokalen und gezielten Funktionalisierung.

Die Forschungsergebnisse sind vielversprechend. Sie zeigen, dass die Zelladhäsion und die Zellmorphologie durch eine gezielte Oberflächenmodifikation mittels lichtbasierter Technologien unter Erhalt der geforderten Biokompatibilität signifikant reduziert werden konnte – bis um 80 Prozent für die mittlere Zellanzahl! Der mit Zellen bedeckte Flächenanteil wurde hierbei auf unter 20 Prozent gesenkt.

Interdisziplinäre Prozesskette

Unternehmen entlang der gesamten Prozesskette waren an dem interdisziplinären IGF-Projekt beteiligt: Lampen- und Laserhersteller, Rohstofflieferanten, Anlagenbauer, Unternehmen der Beschichtungsbranche, der Oberflächenstrukturierung und der Medizintechnik sowie Ärzte und Kliniken.

Die Ergebnisse des IGF-Vorhabens helfen den mittelständischen Unternehmen der Medizintechnik, ihre Zukunftsfähigkeit durch innovative Produkte und hochwertige Neuentwicklungen zu sichern. Und sie haben weiteres Potenzial, denn die Resultate sind weitgehend übertragbar auf andere Materialien wie beispielsweise Titan oder Kunststoffe, weitere Implantatklassen, andere Medizinprodukte oder auf Biosensoren. Außerdem werden die Patienten geschont und das Gesundheitssystem entlastet: Erfolg auf ganzer Linie.

Ihr Ansprechpartner

Dr. Christopher Dölle
Fraunhofer IFAM
Christopher.doelle(at)ifam.fraunhofer(.)de
Tel. +49 421 2246 621 

Projekttitel: Licht als Werkzeug – Oberflächenfunktionalisierung zur Adhäsionsreduzierung von humanen Zellen auf Traumaimplantaten

Förderkennzeichen: 17957 N
Laufzeit 12/2013 – 09/2016
Fördersumme: 465.350 EUR
Programm: Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)
Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Forschungsvereinigung

Forschungsvereinigung Feinmechanik, Optik und Medizintechnik e.V. – F.O.M.

Eingebundene Unternehmen

  • BEGO Implant Systems GmbH & Co. KG, Bremen
  • Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG, Göttingen
  • Evonik Hanse GmbH, Geesthacht
  • Heraeus Noblelight GmbH, Hanau
  • Induflex Coating Systems GmbH, Blender
  • Klinikum Bremen Mitte gGmbH, Institut für Pharmakologie, Bremen
  • Karl Leibinger Medizintechnik - KLS Martin Group, Mühlheim
  • Naturelize GmbH, Bad Emstal
  • Orthobion GmbH, Konstanz
  • SITEC Industrietechnologie GmbH, Chemnitz
  • tricumed Medizintechnik GmbH, Kiel

Forschungseinrichtungen

Foto: © Fraunhofer IFAM

Weniger Einwachseffekte bei Implantaten – Flyer