Gezielte Auflösung: Die neue Generation von Implantaten

Aus Metallpulver und Granulat werden die neuartigen Implantate hergestell.: Rechts die fertige Knochenschraube. Foto: HZG<br>

Der Herbst kommt mit Regen und Wind, die Blätter fallen von den Bäumen und liegen am Boden. Wer darauf ausrutscht, kann sich leicht ein Bein brechen. Wird bei so einem Bruch zur Fixierung ein Nagel oder eine Platte benötigt, besteht diese heute aus Titan. Denn dieser Werkstoff ist stabil und für den Körper gut verträglich. Allerdings muss der Fremdkörper nach der Knochenheilung wieder entfernt werden, sonst besteht die Gefahr von Entzündung oder Knochenrückbildungen.

„Ziel moderner Implantatforschung ist es daher, ein Material zu entwickeln, das wie echtes Ersatzmaterial im Körper eingesetzt werden kann“, sagt Prof. Dr. Regine Willumeit, Leiterin der Abteilung 'Strukturforschung an Makromolekülen' im Helmholtz-Zentrum Geesthacht. „Ein Biomaterial also, das erst den Knochen stützt, aber nach der Heilung von alleine wieder verschwindet.“ Zum Beispiel Magnesium: Dieses Element ist ein natürlicher Bestandteil des Körpers und besitzt den Vorteil, sich gezielt auflösen zu können. Außerdem ist es leicht und fest zugleich sowie gut verträglich. Das Augenmerk der Forscher am Standort in Geesthacht richtet sich daher auf dieses Biomaterial.
Am Helmholtz-Zentrum in Geesthacht besitzt man seit vielen Jahren große Kompetenz, um Prototypen von metallischen bioabbaubaren Implantaten aus Magnesium-Legierungen herzustellen und zu erforschen. Die Materialforscher untersuchen zum Beispiel neuartige Magnesium-Kalzium-Legierungen. Diese zeigen Werkstoffeigenschaften, die denen des Knochens ähneln, sie sind stabil und gleichzeitig elastisch. Kalzium scheint als Legierungselement gut geeignet zu sein, da es sich genau wie Magnesium zu ungiftigen Produkten im Körper abbauen könnte. Die Abbauprodukte könnten sogar das Knochenwachstum stimulieren.

„Wir entwickeln in Geesthacht Legierungen, die über äußerst vielversprechende Eigenschaften für den Einsatz in orthopädischen und traumatologischen Anwendungen verfügen“, erklärt Prof. Dr. Regine Willumeit. „Die Kollegen im MagIC, dem Magnesium Innovations Center am HZG, liefern uns das Ausgangsmaterial, wir untersuchen die Faktoren, die den Abbau des Magnesiums unter physiologischen Bedingungen bestimmen.“ Dabei erforschen die Wissenschaftler nicht nur den Abbauprozess des Materials. In den Laborräumen in Geesthacht werden in der Zellkultur zum Beispiel die Auswirkungen des Abbaus auf umliegende Zellen getestet. Den Wissenschaftlern stehen für diese grundlegende Forschung an den neuartigen Implantatmaterialien umfassende Analyse- und Testmethoden zur Verfügung.

Kopfzerbrechen bereiten den Forschern die Herstellungsverfahren. Doch hier sind sie ein gutes Stück voran gekommen. So stellte der Wissenschaftler in der Abteilung Pulvertechnologie, Martin Wolff, erstmals Magnesium-Kalzium-Knochenschrauben mittels Metallpulverspritzgießens (MIM) her. „Die Herausforderung bei Magnesium liegt in der hohen Affinität dieses Werkstoffs zu Sauerstoff“, erklärt Martin Wolff. „Doch schon geringe Mengen Sauerstoffs führen zu dramatisch veränderten mechanischen Eigenschaften des Bauteils.“ Kalzium als Legierungspartner fängt im Herstellungsprozess den Sauerstoff ab, das Material wird dadurch fester. Das ungiftige Legierungselement hat sich zumindest im Experiment zur Erzielung besserer Ergebnisse bewährt. Bevor es jetzt als Implantatwerkstoff eingesetzt werden kann, stehen zahlreiche Untersuchungen, zum Beispiel in der Zellkultur und im Organismus, an.

Auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien (DGBM), die vom 1. bis 3. November 2012 in der Handwerkskammer Hamburg stattfindet, präsentieren die Helmholtz-Forscher aus Geesthacht ihre Ergebnisse. Schwerpunktthema in diesem Jahr bilden „Abbaubare Implantate und Biomaterialien“. Die diesjährige Tagungsleiterin Prof. Dr. Regine Willumeit holte den renommierten Kongress mit rund 250 Teilnehmern nach Hamburg und organisierte Planung und Programm.

Journalisten sind herzlich zum Kongress in die Handwerkskammer Hamburg eingeladen. Um vorab Gesprächstermine mit den Helmholtz-Wissenschaftlern zu vereinbaren, wenden Sie sich gern an Heidrun Hillen (Telefon: 0415287-1648).

Media Contact

Dr. Torsten Fischer Helmholtz-Zentrum

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Die Materialwissenschaft bezeichnet eine Wissenschaft, die sich mit der Erforschung – d. h. der Entwicklung, der Herstellung und Verarbeitung – von Materialien und Werkstoffen beschäftigt. Biologische oder medizinische Facetten gewinnen in der modernen Ausrichtung zunehmend an Gewicht.

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