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Oberflächenbeschichtung für medizinische Implantate



Medizinische Geräte und Implantate sind aus modernen Krankenhäusern nicht mehr wegzudenken. Um bei der Therapie des Patienten zu helfen, unterstützen sie geschädigte Organe oder übernehmen deren Funktion. Das Risiko trägt der Patient: Vor allem Dauerimplantate sind im menschlichen Körper erheblichen Belastungen ausgesetzt. Eine neue Beschichtung soll sie widerstandsfähiger machen.

Zu den Langzeit-Implantaten gehören künstliche Herzklappen oder Koronarstents. Unter letzteren versteht man kleine dehnbare Metallgitter, die mittels Ballonkatheter bis zum verengten Herzkranzgefäß geführt und dort durch Druck aufgedehnt werden. Sie verbleiben im betroffenen Blutgefäß, um dieses dauerhaft offen zu halten. In Europa werden jährlich rund 22000 künstliche Herzklappen implantiert. Die Zahl der Patienten mit Koronarstents liegt deutlich höher. Sie wurde 1997 allein für Deutschland auf etwa 60000 geschätzt, Tendenz steigend.

Das Material dieser Implantate muß den erheblichen mechanischen Belastungen im Körper standhalten. So läßt eine künstliche Herzklappe innerhalb von 20 Jahren mehr als 700 Millionen Herzschläge über sich ergehen. Deshalb bestehen die Klappen oft aus Materialien, die metallische Eigenschaften aufweisen. Solche Stoffe fördern aber die Blutgerinnung in den Gefäßen. Das führt zu Gerinseln, die Herzklappen oder Arterien verschließen können. Bildet sich ein kleinerer Thrombus (Blutpfropf), so wird dieser unter Umständen aus der Herzklappe durch die größeren Blutbahnen gespült und verschließt später die engeren Blutgefäße im Gehirn, in den Nieren oder in den Beinen. Solche Embolien in entfernt gelegenen Organen haben oft schwere Komplikationen zur Folge, bis hin zum Schlaganfall. Um dies zu vermeiden, erhalten die Patienten in der Regel Medikamente, die ihre Blutgerinnung herabsetzen. Sie werden damit zu künstlichen Blutern, die selbst bei unscheinbaren Verletzungen ohne ärztliche Hilfe verbluten können. Andererseits bildet sich auf metallischem Implantat schnell ein bakterieller Biofilm. Weitet er sich zum Infektionsherd aus, muß das Fremdmaterial im Körper durch eine weitere Operation erneuert werden. Sonst droht die schleichende Blutvergiftung mit tödlichem Ausgang.

Um die Risiken der Implantation zu senken, suchen Forscher weltweit nach neuen Beschichtungen für die Oberflächen der Implantate. Im Rahmen des Forschungsprogramms Biomed 2, gefördert durch die EU, veredeln Ingenieure und Mediziner das Implantat mit Titan-Nitrid-Oxid (Markenname TiNOX). Dieser Stoff wurde ursprünglich wegen seiner exzellenten optischen Eigenschaften als Deckschicht für Sonnenkollektoren verwendet. Eine Schicht von nur zwei tausendstel Millimeter reicht auch aus, um ihn optimal an die Belastungen im Körper anzupassen. An der Grenzfläche zwischen Implantatmaterial und Blut eingesetzt, verhält sich Titan-Nitrid-Oxid weitgehend neutral. Das Blut gerinnt weniger schnell, die Bakterienkolonien wachsen langsamer. In der Medizin ist die Anleihe aus der Solarforschung noch weitgehend unbekannt. Zu wenig ist über die Blutgerinnung an der Oberfläche von Implantaten bekannt. Man weiß allerdings, daß bestimmte Proteine wie die Fibrinogenmoleküle stark fördernd auf die Blutgerinnung wirken. Angeregt durch Elektronen aus der Oberfläche der metallischen Implantate, bilden sie ein Netz, in dem sich die Blutplättchen und rote Blutkörperchen fangen. Der Thrombus wächst, mit den bereits genannten Folgen für den Patienten.

Die neue Beschichtung hält die freien Elektronen des metallischen Implantats zurück. Sie können nicht mehr ungehindert auf die Fibrinogenmoleküle übergehen. Titan-Nitrid-Oxid weist eine hohe Bindungsenergie auf. Es ist daher chemisch stabil und nicht toxisch. Materialtests belegen seine hohe Stabilität gegen Flüssigkeiten und höhere Temperaturen.

Eine Elektronenstrahlkanone verdampft das Titan bei etwa 2500 Grad Celsius. Diesem Dampf werden Sauerstoff und Stickstoff beigemischt. Die Atome des Titans verbinden sich mit den Gasmolekülen, die sich als dünne Schicht auf dem Substrat abscheiden. Je nach Menge des Sauerstoffs und des Stickstoffs lassen sich die physikalischen Eigenschaften der Titan-Nitrid-Oxidschicht stark variieren. So zeigten Aufnahmen mit dem Raster-Elektronenmikroskop, daß sich innerhalb der hauchfeinen Schicht sehr rauhe oder aber sehr feine Strukturen bilden können. Ihre Rauhigkeit schwankt zwischen 1 und 100 milliardstel Millimeter. Untersuchungen am Freeman-Hospital im britischen Newcastle bewiesen, daß auch die Oberflächenspannung der Schicht je nach Gasmischung erheblich variiert, von stark benetzend bis wasserabstoßend. Um die Elektronenübergänge an der Beschichtung genau steuern zu können, läßt sich ihre elektrische Leitfähigkeit im Bereich von milliardstel Ohm pro Zentimeter Schichtdicke zielgerichtet einstellen.

Titan-Nitrid-Oxid ist ein Werkstoff mit sehr fein abstimmbaren Eigenschaften, mit dem sich die körpereigenen Abwehrreaktionen auf die Implantate systematisch analysieren lassen. Forscher der Abteilung für Hämatologie an der Universität Utrecht (Niederlande) untersuchen daran die physikalischen Grundlagen der Blutgerinnung. Mikrobiologen in Groningen (Niederlande) und Bristol (Großbritannien) wollen das Geheimnis lüften, warum sich die Bakterien auf den Implantaten absetzen und massenhaft vermehren. Dazu dienen sogenannte Flußkammern, bei denen man die Blutbestandteile und Bakterienstämme an verschiedenen TiNOX-Oberflächen direkt beobachten kann. Die Schichtprobe hängt in einer Röhre aus Plexiglas und wird ständig mit Körperflüssigkeit bespült. Solche Versuche außerhalb des menschlichen Organismus simulieren die komplizierten Vorgänge im Körperinnern jedoch nur bedingt. Herzforscher der Universität Bern (Schweiz) haben kürzlich damit begonnen, beschichtete Koronarstents an Schweinen zu testen. Zu klären ist vor allem, wie sich das Titan-Nitrid-Oxid gegenüber den Endothelzellen verhält. Diese Zellen kleiden die Innenwände der Blutgefäße glatt aus und beeinflussen somit die Fließeigenschaften des Blutes. Sind diese Tests erfolgreich, soll die neue Beschichtung auch bei künstlichen Herzklappen zum Einsatz kommen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999, Seite 917
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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