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Bioresorbierbare Implantate

PIXE Analyse mit 2.25 MeV Protonen an Knochenschnitt 4 Wochen nach Implantation; Bildgröße 750 x 750 µm; Legierung LAE442 (90 % Mg, 4 % Li, 4 % Al, 2 % SEE)

Eine Vielfalt von modernen Materialien wird heutzutage als Implantatwerkstoffe mit Stützfunktionen im Organismus eingesetzt. Dazu zählen vor allem Stähle, Titanlegierungen und Titan, keramische Werkstoffe sowie Polymere. Die an der Oberfläche der Implantate ablaufenden Wechselwirkungen mit Gewebe und Körperflüssigkeiten bedürfen einer Untersuchung, weil sie in ungünstigen Fällen zur beschränkten Anwendbarkeit des Implantats, seinem Abbau oder unerwünschten Körperreaktionen führen können. In der Entwicklung moderner Implantatwerkstoffe stellen seit einiger Zeit biokompatible, sich im Organismus auflösende Werkstoffe sowie Wirkstoffe freisetzende Beschichtungen für Permanentimplantate aktuelle Forschungsschwerpunkte dar.


Resorbierbare Implantate mit Einsatzgebiet Bewegungsapparat sollen in idealer Weise für eine notwendige Zeit Stützfunktionen ausüben, danach aber durch biologische Abbauprozesse aus dem Organismus entfernt werden und so eine zweite Operation unnötig machen. Mg-Legierungen sind hierfür gut geeignet, da sie ähnliche Elastizitätsmodule wie das Knochengewebe und eine hohe Biokompatibilität besitzen. Weitere Legierungsbildner, wie z.B. Zn, Li und Seltene Erden werden bei der Auflösung der Legierung im Organismus transportiert, abgelagert und ausgeschieden. Um die Biokompatibilität dieser neuen Legierungen zu testen und den Abbaumechanismus zu klären, wurden

  1. Oberflächeneigenschaften und Elementverteilungen in den Legierungen vor der Implantation untersucht
  2. die Konzentration der in den Legierungen enthaltenen Elemente im umgebenden Knochenmaterial, den wichtigsten Organen und in Blut und Urin von Meerschweinchen und Kaninchen bestimmt, die keine Implantate trugen (Ermittlung der Hintergrundwerte)
  3. die Konzentration dieser Elemente nach unterschiedlicher Verweilzeit der Implantate im tierischen Organismus im Knochengewebe, in Leber, Blut und Urin bestimmt
  4. Untersuchungen vorgenommen, die zur Klärung des Abbaumechanismus der als Implantat verwendeten Legierung im Organismus beitragen sowie Erklärungen für den beobachteten Wachstumsprozess bei der Knochenneubildung liefern konnten.

Das Aufbringen von Beschichtungen auf Implantaten hat zum Ziel, dass diese nach der Operation besser einheilen. Eine gezielte Medikamentenfreisetzung aus diesen Beschichtungen kann außerdem zur langfristigen Sicherstellung der Funktion des Implantates dienen, wenn beispielsweise entzündungshemmende oder die Zellteilung unterbindende Wirkstoffe, sowie Wachstumshormone für eine optimale Wechselwirkung der Implantatoberflächen mit dem umgebenden Gewebe sorgen. Der Prozess der Freisetzung der Wirkstoffe kann durch das chemische und strukturelle Design der Beschichtung gesteuert werden. Bei der Entwicklung oder Verbesserung derartiger Beschichtungen ist jedoch vor einer klinischen Anwendung eine Kontrolle der Freisetzungsprozesse erforderlich. In unterschiedlichen Studien zur Optimierung von Beschichtungen auf Stents wurden daher Untersuchungen zur Freisetzung der Wirkstoffe und zum Abbau resorbierbarer Beschichtungen durchgeführt. Dazu wurden

  1. der Abbau von Polylactatbeschichtungen im Tiermodell in Abhängigkeit von der Implantationszeit bestimmt
  2. der Restenosegrad bei Applikation unterschiedlicher proliferationshemmender Wirkstoffe ermittelt.
Quantifizierung nach Vermessung einer Trajektorie über Implantat, Korrosionsschicht und Knochen mit Matrix-angepassten Standards aus synthetischem Knochenmaterial. Links: Analyse der Seltenen Erden mit LA-ICP-MS, rechts: Bestimmung von Calcium, Aluminium und Phosphor mit PIXE.

Eingesetzte Analyseverfahren

 

Analytisches Problem

Eingesetzte Analysenverfahren

Bestimmung von Zusammensetzung und Homogenität der Implantatmaterialien vor uns nach Implantation

REM-EDX, µ-RFA, ICP-OES, ICP-MS, PIXE, SY-RFA, IR, Raman

Elementgehalte in Knochen, Leber, Blut, Urin vor und nach Implantierung

ICP-MS, LA-ICP-MS, GF-AAS, PIXE, IC, ISE

Wechselwirkung Legierung – Proteine aus Knochen (Knochenneubildung)

SY-IR

Abbaumechanismus

µ-RFA, PIXE, SY-RFA

Restenose in Abhängigkeit vom Wirkstoff in der Beschichtung

µ-RFA, PIXE, µ-Raman

Publikationen

  • S. Gruhl, Quantifizierung von Konzentrationsgradienten im µm-Bereich mittels Laserablation-ICP-MS, Dissertation, 2006, Leibniz Universität Hannover
  • S. Gruhl, F. Witte, J. Vogt, C. Vogt, Determination of concentration gradients in bone tissue generated by the degradation of a biologically degradable magnesium implant, JAAS 2009, 24(2)
  • F. Witte, N. Hort, C.Vogt, S. Cohen, K. U. Kainer, R. Willumeit, F. Feyerabend, Degradable biomaterials based on magnesium corrosion, Current Opinion in Solid State & Materials Science 12 (2008) 63-72
  • N. Hort, Y. Huang, D. Fechner, C. Blawert, F. Witte, C. Vogt, H. Drücker, R. Willumeit, K.U. Kainer, F. Feyerabend, Magnesium Alloys as Implant Materials – Principles of Property Design for Mg-RE Alloys, Acta Biomaterialica 6 (2010) 1714-1725
  • F. Witte, J. Fischer, C. Vogt, J. Vogt, T. Donath, F. Beckmann, In vivo corrosion and corrosion protection of magnesium alloy LAE442, Acta Biomaterialia 6 (2010) 1792-1799
  • C. Vogt, K. Bechstein, S. Gruhl, M. Lange, H. Drücker, F. Witte, J. Vogt, Investigation of the degradation of biodegradable Mg implant alloys in vitro and in vivo by analytical methods, In „Magnesium“, ed. K.U. Kainer, 2009, Wiley-VCH, p.1162-1174
  • F. Witte, K. Bobe, E. Willbold, I. Morgenthal, O. Anderson, T. Stuknitzky, J. Nellesen, W. Tillmann, k. Vano, C. Vogt, In vitro and in vivo evaluation of biodegradable, open-porous scaffolds made of sintered magnesium W4 short fibres, Acta Biomaterialia 9(10) (2013) 8611-8623
  • K. Vano-Hererra, A. Misiun, C. Vogt, Preparation and characterization of Poly(DL-lactic acid)/poly(methyl methacrylate) blend tablets for application in quantitative analysis by micro Raman spectroscopy, J Raman Spectrosc. 46 (2) (2015) 273–279, DOI: 10.1002/jrs.4603
  • N. Angrisani, F. Zimmermann, K. Vano-Herrera, R. Eifler, A. Meyer-Lindenberg,  J. Reifenrath, C. Vogt, Biocompatibility and degradation analysis of LAE442-based magnesium alloys after implantation of up to 3.5 years in a rabbit model, Acta Biomaterialia 44 (2016) 355-65; doi: 10.1016/j.actbio.2016.08.002
  • K. Vano-Herrera, C. Vogt, Degradation of poly(L-lactic acid) coating on permanent cardiovascular metal stents investigated ex vivo by micro Raman spectroscopy, J Raman Spectrosc. (in press), DOI: 10.1002/jrs.5111

Kooperationspartner

  • Prof. F. Witte, Charité Berlin
  • Prof. P. Meier, Hochschule Rostock
  • Prof. R. Willumeit , Dr. N. Hort, Dr. F. Feyerabend, Helmholtz Zentrum Geesthacht
  • Dr. J. Reifenrath, Medizinische Hochschule Hannover
  • Diverse Firmen