Magnesiumschwämme – kleine Poren, große Wirkung

Offenporig wie ein Schwamm, leicht wie eine Feder und belastbar wie ein menschlicher Knochen – Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Produktionstechnischen Zentrums Hannover arbeiten innerhalb des Sonderforschungsbereiches 599 an dem Thema „Magnesiumschwämme als bioresorbierbare Implantate“.

Dahinter verbirgt sich eine Werkstoffstruktur, deren Eigenschaften ein schnelles Anwachsen am Knochen gewährleisten. Das Material löst sich während der Heilung des Knochendefektes von selbst rückstandsfrei im Körper auf.

Mehr als 700.000 Frakturen wurden laut Krankenhausdiagnose-Statistik 2006 in deutschen Krankenhäusern behandelt, darunter waren allein 50.000 gebrochene Hand- und Fußgelenke. Oft sind es komplizierte Verletzungen, die das Einsetzen von Stahl- oder Titanimplantaten notwendig machen. Bleiben diese Metallverbindungen über einen längeren Zeitraum im Körper, können sie zum Entzündungsherd werden. Deshalb sind Nachfolgeoperationen, wenn die Fraktur geheilt ist und der Nagel oder die Schraube wieder entfernt werden müssen, unausweichlich.

„Mit unseren Magnesiumschwämmen wollen wir dem menschlichen Knochen ziemlich nahe kommen“, erläutert Dr.-Ing. Dirk Bormann, Leiter des Bereichs Biomedizintechnik und Leichtbau am Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover. In seiner Hand liegt ein zwei Zentimeter langer Magnesiumstift, so dünn wie eine Salzstange. In dessen Oberfläche sind winzige Löcher erkennbar. Ein solcher Magnesiumschwamm mit poröser Struktur entsteht, wenn ein Platzhaltermaterial, z.B. Natriumchloridkörner, mit Magnesiumschmelze infiltriert wird und anschließend das Platzhaltermaterial herausgewaschen wird. Zwar hat das Stück Magnesiumschwamm den Durchmesser einer Salzstange, es ist aber längst nicht so zerbrechlich. „Metallische Schäume und Schwämme entsprechen dem natürlichen Aufbau von Knochenmaterial und bieten gute mechanische Festigkeiten“, sagt Dr.-Ing. Bormann. Dies wurde anhand umfangreicher Stauch- und Zugversuche nachgewiesen. Das Korrosionsverhalten von Magnesium sei entscheidend für die Anwendung im medizinischen Bereich. Zudem verursachten Magnesiumlegierungen bei richtiger Auswahl keine allergischen Reaktionen im Körper.

Die Modelle der Magnesiumschwämme stellen die Maschinenbauer her, um sie anschließend gemeinsam mit den Forschungspartnern, dem Helmholtz Zentrum für Infektionsforschung (HZI), der Tierärztlichen Hochschule Hannover (TiHo) und der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) zu testen. Das Zusammenspiel von Magnesium und organischen Zellen wird molekularbiologisch an Zellkulturen und histologisch im Tiermodell charakterisiert, um daraus Schlüsse für die Reaktionen im menschlichen Körper zu ziehen und zukünftige Einsatzgebiete zu definieren.

Ein weiterer Schritt in Richtung der Anwendung von Magnesiumschwämmen in der Medizintechnik wird mit einem Projekt getan, das im Frühjahr 2009 startet. Das Institut für Werkstoffkunde entwickelt gemeinsam mit Forschern aus Aachen und der Orthopädischen Klinik und Poliklinik der Medizinischen Hochschule Hannover sowie zwei Firmen Verfahren, bei denen die Poren der Schwämme mit einem medikamentbeladenen Polymer gefüllt werden können. Somit wird die Stabilität und Verträglichkeit der Implantate weiter gesteigert.