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Implantate mit Poren für knochenbildende Zellen

07.08.1998 - (idw) Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Knochen kommen wohl nur wenigen in den Sinn, wenn von Verbundwerkstoffen die Rede ist. Doch ist das Material, aus dem in vielen Jahrmillionen der Evolution ein Stützgerüst entstand, den jüngsten Produkten der Werkstoffwissenschaft in manchem vergleichbar. In Erlangen nutzt eine interdisziplinäre Gruppe an der Universität Erlangen-Nürnberg diese Parallelen für Knochenimplantate, die schnell und problemlos einwachsen sollen. Die DFG-geförderten Forschungsarbeiten am Lehrstuhl für Glas und Keramik von Prof. Dr. Peter Greil und am Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie von Prof. Ph. D. Geoffrey Lee sind darauf angelegt, Strukturen zu erzielen, die dem natürlichen Knochenaufbau möglichst nahe kommen.

Um besonders günstige Bedingungen für das Einwachsen von Implantaten zu schaffen, wird der neue Werkstoff nicht nur gewebeverträglich sein, sondern auch Poren aufweisen, in denen sich knochenbildende Zellen ansiedeln können. Die Poren müssen spezielle Ansprüche erfüllen: Sie sollen an der Oberfläche einen breiteren Durchmesser haben als in der Tiefe. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer gradierten Struktur. Die Problemstellung ordnet das Kooperationsprojekt in die Thematik des DFG-Schwerpunktprogramms "Gradientenwerkstoffe" ein.


Keramik und Kollagen

Das Projekt zielt darauf ab, anorganisch/bioorganische Verbundwerkstoffe herzustellen. Die verwendeten Materialien entsprechen natürlichen Bestandteilen des Skeletts: Knochen sind aus Hydroxylapatit und Kollagen aufgebaut. Genau diese Komponenten - eine keramische Substanz und ein Biopolymer, aus Eiweißketten zusammengesetzt - bilden die Grundlage für den Implantatwerkstoff. Dieser Werkstoff soll mit offenen Poren versetzt sein, deren Durchmesser an der Oberfläche 0,2 mm, in der Tiefe aber nur noch 0,05 mm mißt (zum Vergleich: ein menschliches Haar ist etwa 0,1 mm dick).

Zwei Methoden werden erprobt. Die erste besteht darin, aus wäßrigen Hydroxylapatitlösungen Folien zu gießen, daraus sogenannte Tapes mit einer typischen Dicke von 0,2 mm herzustellen und diese nach dem Schneiden zu Laminaten zu stapeln. In den Suspensionen enthalten sind Kunststoffkugeln mit unterschiedlichem Radius, auch als Platzhalter bezeichnet, die zum Ende des Prozesses ausgebrannt werden und verschieden große Hohlräume hinterlassen. Die Stapel müssen so aufgebaut sein, daß von oben nach unten Schichten mit immer kleineren Kugeln aufeinander folgen, um den gewünschten Porositätsgradienten zu erreichen. Alternativ werden poröse Hydroxylapatit/Kollagen-Tapes durch Gefriertrocknen wäßriger Lösungen hergestellt. Die Porenstruktur kann dann durch die Trocknungbedingungen systematisch variiert werden.

Die Gradientenstruktur ähnelt dem Aufbau des natürlichen Knochens mit seinen lokal unterschiedlichen Eigenschaften. Damit können die mechanischen und biomedizinischen Funktionen eines künstlich hergestellten Implantates optimal auf die jeweilige Beanspruchung ausgerichtet werden. Darüber hinaus bietet diese Struktur die Möglichkeit, die Implantatoberfläche mit Faktoren zu belegen, die das Einwachsen der Knochenzellen gezielt beschleunigen. Der Zusammenhang zwischen dem Besiedlungs- und Wachstumsverhalten knochenaufbauender Zellen (Osteoblasten) und der mikro- und makroskopischen Struktur des Werkstoffs ist deshalb ein wichtiger Punkt des Untersuchungsprogramms.

Dem interdisziplinären Team gehören Dr. Wolfgang Frieß, der sich am Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie bereits in anderem Zusammenhang mit den Einsatzmöglichkeiten von Kollagen in der Medizin befaßt hat, und Dr. Norbert H. Menzler vom Lehrstuhl für Glas und Keramik an. An diesem Lehrstuhl experimentiert eine Gruppe von Nachwuchswissenschaftlern mit keramischen Materialien, die in ihrem Aufbau biologisch entstandene Strukturen "nachbilden" (Biomimetik).

Die Forschungsarbeiten laufen in enger Zusammenarbeit mit der TU Dresden, wobei Analysen- und Meßverfahren insbesondere für die Untersuchung der biofunktionellen Oberflächen ebenso wie Zelladsorptionsuntersuchungen gemeinsam durchgeführt werden. Das Vorhaben ist auf insgesamt drei Jahre angelegt und wird pro Jahr mit ca. 200.000 Mark unterstützt.

* Kontakt:

Prof. Dr. Peter Greil, Dr. Nobert H. Menzler, Lehrstuhl für Glas und Keramik, Martensstr. 5,

91058 Erlangen, Tel: 09131/85 -7543, -7553, Fax: 09131/85 -8311,
E-Mail: menzler@ww.uni-erlangen.de, greil@ww.uni-erlangen.de

Dr. Wolfgang Frieß, Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie, Cauerstr. 4, 91058 Erlangen,
Tel.: 09131/85 -9556, Fax: 09131/85 -9545, E-Mail: w.friess@pharmtech. uni-erlangen.de
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