Wie Knochen auf Werkstoffe aus Titan reagieren

Bekommt ein Patient ein Zahnimplantat oder ein künstliches Gelenk eingesetzt, dann ist Körperverträglichkeit oberstes Gebot. Idealerweise sollten die für das Implantat verwendeten Werkstoffe so beschaffen sein, dass sie die für den jeweiligen Anwendungsort bestmöglichen Eigenschaften mitbringen. Daran arbeiten Wissenschaftler von der Uni Würzburg.

Die Einbringung von Implantaten ist bei schweren Verschleißerkrankungen des Skelettsystems, insbesondere an den Gelenken, beim Verlust einzelner Zähne oder zur Stützung von Zahnersatz häufig unverzichtbar. In Deutschland bekommen jedes Jahr 80.000 Patienten künstliche Hüften eingesetzt, weil ihre natürlichen Gelenke verschlissen oder degeneriert sind. Hiervon ist im Laufe seines Lebens etwa jeder zwanzigste Mensch betroffen.

Um die Implantate gut zu befestigen, werden die Fixierungselemente so konstruiert und die Werkstoffe so gewählt, dass eine möglichst enge Verbindung zum Knochen entsteht. Dies ist eine wichtige Voraussetzung dafür, dass ein Implantat für lange Zeit funktionstüchtig bleibt.

Entscheidend ist die Grenzfläche zwischen Werkstoff und Körper, denn dort laufen bedeutsame Vorgänge ab: Kommt die Oberfläche eines Werkstoffs mit Körperflüssigkeit oder Blut in Berührung, dann lagern sich innerhalb von Minuten Proteine ab: Die Oberfläche überzieht sich mit einem so genannten Biofilm. Nach dessen Aufbau reagieren die Körperzellen dann direkt auf das Implantat.

Als besonders gut verträglich gelten Titan oder Titanlegierungen: Sie überziehen sich im Körper schnell mit einer Oxidschicht, die das Implantat für den Organismus gewissermaßen unsichtbar macht. So wird zum Beispiel eine Abwehrreaktion des Immunsystems weitestgehend vermieden. Die Oxidschicht erlaubt auch das Heranwachsen von Knochenzellen an die Oberfläche des Implantats und begünstigt so eine enge Verbindung zum Körper.

Mit der Problematik der „Grenzfläche zwischen Werkstoff und Biosystem“ befasst sich ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördertes Schwerpunktprogramm. In diesem Rahmen werden Arbeiten am Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und Zahnheilkunde der Uni Würzburg gefördert. Der Lehrstuhlinhaber Prof. Dr.-Ing. Roger Thull ist zugleich auch Koordinator des Schwerpunktprogramms.

In einem der Würzburger Projekte geht es um die Beschaffenheit der Grenzfläche zwischen Knochen und Werkstoffen auf Titanbasis. Zunächst charakterisieren die Wissenschaftler die Werkstoffoberfläche zum Beispiel durch elektronische Zustands- und Austauschstromdichten oder die Oberflächenenergie. Danach untersuchen sie, ob bestimmte Reaktionen des Knochens auf den Werkstoff von diesen Eigenschaften abhängig sind. Außerdem wird erforscht, welche Einflüsse unterschiedliche Titanlegierungen beziehungsweise deren Oxidschichten oder Oberflächenmodifikationen auf die Grenzflächen zu Speichel und anderen Körperflüssigkeiten ausüben.

Bei diesem Projekt arbeitet Prof. Thull mit Prof. Dr. Dr. Jürgen Reuther von der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer und Gesichtschirurgie, mit Prof. Dr. Jochen Eulert vom Lehrstuhl für Orthopädie und mit dem Physiker Prof. Dr. Eberhard Umbach zusammen.

Weitere Informationen: Prof. Dr.-Ing. Roger Thull, T (0931) 201-7352, Fax (0931) 201-7350, E-Mail: 
rthfmz@mail.uni-wuerzburg.de