Biokompatible Beschichtungen zur Optimierung medizinischer Implantate

Die Erforschung und Herstellung von Beschichtungen, die das Einheilverhalten medizinischer Implantate verbessern und den Abrieb künstlicher Gelenke sowie dadurch auch entsprechende Infektionsraten reduzieren, sind das Ziel eines neuen, mit rund 750.000 Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten interdisziplinären Projekts, dessen beteiligte Wissenschaftler – Physiker und Mediziner der Universität Augsburg, der LMU und der TU München und des Universitätsklinikums Mannheim der Universität Heidelberg – sich am 15. Juli 2009 zu ihrer ersten Arbeitssitzung am Institut für Physik der Universität Augsburg trafen.

„Gemeinsam arbeiten wir daran, zu detaillierten Kenntnissen über die Zelladhäsion an sogenannten DLC-Schichten – das sind hauchdünne antibakterielle und diamantähnliche Materialien – zu gelangen, um mit solchen Beschichtungen ganz konkret die Funktionsdauer medizinischer Implantate verlängern und die Häufigkeit nötiger Revisionsoperationen an betroffenen Patienten deutlich reduzieren zu können“, erläutert Prof. Dr. Bernd Stritzker. Zusammen mit Florian Schwarz hat er an seinem Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik IV den zentralen Part, die antibakteriellen und biokompatiblen Beschichtungen mittels PIII (= Plasmaimmersions-Ionenimplantation; siehe http://www-2.physik.uni-augsburg.de/exp4/Page.php?Subj=PIII) herzustellen. Danach werden am Lehrstuhl für Experimentalphysik I (Prof. Dr. Achim Wixforth) spezifische lebende Zellen aufgetragen. So präpariert können an diesen Schichten dann mit aussagekräftigen standardisierten Testmethoden ihre Eigenschaften gemessen werden, die es zu optimieren gilt: die biologische Kompatibilität also sowie die biomechanische Verschleißfestigkeit und eine möglichst geringe bakterielle Adhäsion.

Projektspezifischer Biochip mit universellen Einsatzmöglichkeiten in der Bio-Werkstoffentwicklung

Zur Charakterisierung und Optimierung dieser antibakteriellen DLC-Beschichtungen werden die physikalische Analytik, die vor allem PD Dr. Walter Assmann vom Kernphysik-Lehrstuhl der LMU München beisteuert, sowie biokinetische Testverfahren herangezogen. Darüber hinaus kommt ein neuartiger „Biochip“ zum Einsatz, den speziell in diesem Projektkontext Prof. Dr. Achim Wixforth, Dr. Matthias Schneider und Dr. Thomas Franke am Lehrstuhl für Experimentalphysik I der Universität Augsburg entwickeln. Er wird es ermöglichen, die Adhäsion unterschiedlicher Zellen in Abhängigkeit von der jeweiligen Implantatoberfläche präzise zu messen.

Auf diesem Biochip werden die jeweiligen Zellen einer durch akustische Oberflächenwellen (SAW) erzeugten und exakt definierten Flüssigkeitsströmung ausgesetzt, die ihre Haftung an der Beschichtung bestimmt. „Über seine spezielle Funktion in unserem Projekt hinaus, wird sich dieser Biochip wegen seiner universellen Einsatzmöglichkeiten und seiner hoch zeiteffizienten Messtechnik ausgezeichnet und universell als schnelles Screeningverfahren für die Bio-Werkstoffentwicklung eignen“, so Stritzker.

Biologisch-biomechanische Evaluation durch Münchner und Heidelberger Mediziner

Die am Projekt beteiligten Mediziner des Lehrstuhls für Orthopädie und Unfallchirurgie der TU München (PD Dr. med. Rainer Burgkart, Dr. Hans Gollwitzer) sowie der Klinik für Dermatologie des Universitätsklinikums Mannheim der Universität Heidelberg (Prof. Dr. Stefan Schneider, Dr. Elwira Strozyk) werden das Zellwachstum und die antibakterielle Wirksamkeit der modifizierten DLC-Beschichtungen untersuchen und biologisch bzw. biomechanisch evaluieren.

Biologische Prozesse auf anorganischen Oberflächen: eine genuin interdisziplinäre Herausforderung

„Diese interdisziplinär an den von uns hergestellten Implantatoberflächen durchgeführten Experimente werden zu wesentlichen und weiterführenden neuen Erkenntnissen über die Zelladhäsion auf harten Oberflächen führen“, ist Stritzker sich sicher. Das DFG-Projekt basiere auf der Einsicht, dass sich ein tieferes Verständnis biologischer Prozesse auf anorganischen Oberflächen nur im engen Zusammenwirken von Materialwissenschaft mit biologischen und medizinischen Untersuchungsmethoden erreichen lasse. Nur durch diese Kombination werde es möglich, den Einfluss der Struktur und der chemischen Zusammensetzung der Beschichtungsmaterialien auf das Wachstum von Körperzellen und Bakterien zu klären und diesen Einfluss dann auch gezielt zu nutzen.

Iterativer interdisziplinärer Optimierungsprozess

„Als Gegenleistung gewissermaßen“, meint Stritzker, „erhalten wir Materialwissenschaftler aus diesen Erkenntnissen wertvolle Hinweise für die von uns angestrebte Optimierung des Designs und der Herstellung von biokompatiblen Materialien, die – medizinisch umgesetzt – dann unmittelbar dem Patienten zugute kommen.“ Mit dem Projekt werde insofern „eine Art iterativer und interdisziplinärer Optimierungsprozess“ in Gang gesetzt, von dem alle beteiligten Disziplinen profitieren.

Die DFG hat den an diesem neuen Projekt beteiligten Forschergruppen aus Medizin und Physik insgesamt rund 750.000 Euro auf drei Jahre zur Verfügung gestellt. Für die der Bewilligung vorausgegangene Begutachtung des Projektantrags musste aufgrund seines fachübergreifend physikalisch-medizinischen Ansatzes ein neues und sehr aufwändiges Begutachtungsverfahren entwickelt werden, an dem alle betroffenen Fachabteilungen der DFG beteiligt wurden.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Bernd Stritzker
Lehrstuhl für Experimentalphysik IV
Universität Augsburg
D-86135 Augsburg
Tel. +49(0)821-598-3400
bernd.stritzker@physik.uni-augsburg.de