Forschungsschwerpunkt: |
Forschungsverbund "Biomaterialien (FORBIOMAT II)"
Pleicherwall 2, 97070 Würzburg Mail: forbiomat@fmz.uni-wuerzburg.de Url: |
Wissenschaftliche Mitglieder:
Professoren:
Wissenschaftliche Mitarbeiter:
Forschungsschwerpunkte (und Projekte auf Basis der Grundausstattung):
Strukturierung und /oder Funktionalisierung von Werkstoffen für Medizinprodukte zur Langzeitanwendung im menschlichen Körper
Ergebnisse:
Der 2. Forschungs- und Entwicklungszeitraum des Bayerischen Forschungsverbundes Biomaterialien geht mit dem Jahr 2002 zu Ende ebenso wie der Forschungsverbund insgesamt. Der Verbund wurde, der Idee des Initiators Herrn Ltd. Ministerialdirigent J. Großkreutz vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst folgend, aus kompetentem Umfeld gestartet und nach insgesamt 5 Jahren erfolgreicher Forschungs- und Entwicklungsarbeit, die in Hochschulen und Unternehmen geleistet wurde, beendet. Schwerpunkte der Projekte waren Verbesserungen von Technologien für die Herstellung und ?Inverkehrbringung" von Implantaten zum Ersatz von Funktionen, die durch degenerative Erkrankungen verloren gehen. Die wichtigsten Anwendungsbereiche waren Gelenk-Implantate des Haltungs- und Bewegungsapparates, dentale Implantate und im Herz-Kreislaufsystem ?Stents", die nach Wiedereröffnung sklerotisch verengter Gefäße diese offenhalten.
Im 2. Teil des Forschungsverbundes Biomaterialien standen Oberflächen-modifikationen von Werkstoffen im Vordergrund, um diese besser als bisher an Funktion und Anwendungsort anzupassen. Vom Bayerischen Staatsministerium wurden in FORBIOMAT II insgesamt sieben Projekte mit unterschiedlichen Schwerpunkten, die jedoch der Zielstellung des Verbundes entsprechend intensiv vernetzt waren. Die Förderungssumme aus der ?High Tech-Offensive Bayern" betrug DM 3,4 Mio.
Im Einzelnen wurden im Verbund folgende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfolgreich abgeschlossen:
Entwicklung von diamantbeschichteten femuralen Gleitflächen für Kniegelenkendo-prothesen geleitet von Prof. Dr. R. F. Singer
Die Erwartungen an die tribologischen Eigenschaften der Oberflächenmodifikation erfüllten sich. Durch die Entwicklung eines Filamenthalters lassen sich homogene Beschichtungen auch für komplexe Bauteilgeometrien durchführen. Im Tiermodell zeigen diamantbeschichtete Titanimplantate im Vergleich zu unbeschichteten vergleichbare Biokompatibilitätseigenschaften.Die Nachhaltigkeit des Projekts zeigt sich in der Ausgründung der Fa. DiaCCon GmbH, die zum Ziel hat, die der erarbeiteten Ergebnisse zu vermarkten.
Anti-infektiöse bzw. bakteriostatische Beschichtung zementfreier Endoprothesen geleitet von Prof. Dr. A. Stemberger
Es sollte eine anti-infektiöse Beschichtung durch Einarbeitung von Antibiotika realisiert werden. Die maßgeschneiderte Antibiotikatherapie ist im Hinblick auf die Vermeidung der Ausbildung multiresistenter Bakterienstämme von Bedeutung. In einem der Versuchsansätze wurde daher ein Antbiotikum in die Beschichtung eingebracht, das als Reserveantibiotikum gegen multiresistente Keime gilt.
Durch die Antibiotika wird ein Bakterienwachstum nach Kontakt mit dem beschichteten Implantat fast komplett unterbunden. Aufgrund der geringen Konzentration der lokal eingearbeiteten Wirkstoffe und des protrahierten Freisetzungsverhaltens ist im Organismus nicht mit einer systemischen Belastung zu rechnen. Das Verfahren eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten für die Therapie von infizierten Endoprothesen, sondern kann auch als Präventivmethode verstanden werden, mit der sich die Infekthäufigkeit zukünftig drastisch reduzieren lässt.
Verbesserung der Implantat-Biokompatibilität durch Beschichtung von Edelstahlimplantaten mit Tantal (oxid) und einer verzögert abbaubaren Kollagenstruktur geleitet von Prof. Dr. M. Nerlich
Die Frakturheilung benötigt Metallimplantate zur Stabilisierung. Das Projekt führte zu Oberflächenmodifikationen von Edelstahlimplantaten, die durch dichte Beschichtung mit Tantal bzw. Tantaloxid die Korrosionsfestigkeit erhöhten. Die mechanische Verzahnung mit quervernetztem Kollagen diente der Weichteilstabilisierung und einer verbesserten Wundgrundkonditionierung für den Heilungsprozeß. Haftvermittler und Kupplungsreagenzien bewirken eine kovalente Bindung zwischen Tantaloxid und Kollagen. In Abhängigkeit von Grad und Art der Derivatisierung und Quervernetzung des Kollagens können Degradationsverhalten sowie die zelluläre Adhäsion, Proliferation und Differenzierung anwendungsgerecht eingestellt werden.
Verbesserung des Langzeitverhaltens von textilen Implantaten und anderen Biomaterialien auf Kunststoffbasis durch plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PACVD) geleitet von Prof. Dr. D. E. Birnbaum
Das Projekt lieferte Kunststoffe, deren Biokompatibilität und Langzeitstabilität durch eine verfahrenstechnisch neue Oberflächenmodifikation mit titanhaltigen Schichten erfolgte. Die Titancarbonitrid-Schicht zeichnen sich durch eine vom Substrat weitgehend unabhängige Zusammensetzung und hohe Haftfestigkeit aus. Hohe Benetzbarkeit und Oberflächenspannung gewährleisten die Biokompatibilität und sind Voraussetzung für eine bessere Zelladhäsion von humanen Endothelzellen und Fibroblasten. Im Vergleich zu unbeschichteten Kunststoffen wurde eine höhere Zellproliferation und Zellvitalität erreicht. Die Funktion der humanen Endothelzellen war im Wesentlichen unbeeinflußt. Allerdings konnte im Tiermodell bislang keine Verbesserung des Einwachsverhaltens, hier von beschichtetem PET, beobachtet werden. Die höhere Biokompatibilität ist gegenwärtig noch mit einer stärkeren bakteriellen Besiedlung verbunden.
Entwicklung und Herstellung oberflächenmodifizierter, kardialer Stents zur Verbesserung von Biokompatibilität und Funktion (Kardialer Stent) geleitet von Prof. Dr. R. Thull
Kardiale Stents werden aus mechanischen und produktionstechnischen Gründen aus Implantatstahl hergestellt, der für Anwendungen im Körper standardisiert ist. Die bestehende Korrosionsanfälligkeit des Werkstoffs in physiologischer Umgebung wurde im projekt durch Oberflächenmodifikation mit einem Tantal/Tantaloxid-Schichtsystem verbessert. Das Schichtsystem wird durch eine primäre Tantalimplantation mit nachfolgender physikalischer Dampfphasenabscheidung mit reproduzierbaren Eigenschaften hergestellt. Bei geringen Dicken der Modifikation auf dem Stahlsubstrat erweist sich das System auch bei den mechanischen Beanspruchungen während der Stent-Auffaltung im Blutgefäß als mechanisch stabil. Die primäre Tantalimplantation bewirkt bei Schichtdefekten im Sinne einer ?second line of defense" die Repassivierung der Oberfläche. Prüfungen zur Zellverträglichkeit und zur allergologisch-immunologischen Potenz der Modifikation im Vergleich zu Stahl erfolgten in Zusammenarbeit mit anderen Verbundteilnehmern. Im Screening-Test führt die Oberflächenmodifikation zu einer Stimulierung der Thrombingeneration. Die Technik läßt sich produktionsreif einsetzen.
Plaqueabweisende Dentalwerkstoffe geleitet von Prof. Dr. G. Schmalz
Im Forschungsprojekt wurden bakterienadhäsionhemmende Werkstoffe durch Zugabe von Polyalkenoat-Partikeln zu einem handelsüblichen zahnärztlichen Komposit-Kunststoff entwickelt. Eine geringfügige Beimischung beeinflußte Schrumpfverhalten, Biegefestigkeit, E-Modul, Druckfestigkeit, Oberflächenhärte, Vickers-, Universal- und plastische Härte nicht negativ. Die Abrasion war nur geringfügig erhöht. Zellverträglichkeit und Mutagenität der Versuchsmaterialien waren gleich oder geringer als bei Vergleichsprodukten ebenso wie die vitro Bakterienadhäsion, letztere allerdings mit geringer statistischer Signifikanz. Die Benetzung mit Speichel hatte einen nivellierenden Einfluß auf die Bakterienadhäsion. In vivo wurde kein Einfluß der Polyalkenoat-Partikel auf die Plaquebildung nachgewiesen, allerdings ein signifikanter Einfluß der Speichelbenetzung auf die Oberflächenspannung. Die Versuchswerkstoffe zeigen toxikologisch und werkstofftechnisch gute Ergebnisse. Da die Bakterienadhäsion sich nur geringfügig verbessern ließ, fand der Bakterienadhäsion-Werkstoff keine industrielle Verwertung.
Allergologisch-immunologische Aspekte der Optimierung von Werkstoffen zur Langzeitanwendung im menschlichen Körper, Dr. P. Thomas
Das Projekt wurde begleitend für alle in FORBIOMAT zusammengefaßten Neuentwicklungen von Werkstoffen von der Klinik und Poliklinik für Dermatologie und Allergologie, Ludwig-Maximilians-Universität München durchgeführt. Die Werkstoffe aller Projekte gingen in die Studie ein.
Die Werkstoffe wurden im Kokulturverfahren mit humanen peripheren -Blutleukozyten auf Allergenität geprüft. Wichtigste Ergebnisse waren: Bei der Testung von diamantbeschichteten/unbeschichteten Titanplättchen (Projekt: Prof. Dr. R. F. Singer) zeigte sich kein hemmender Einfluß auf die Lyphozytenaktivität, ebensowenig Immunaktivierung mit daraus resultierender erhöhter IL-4 oder IFN-g Ausschüttung. Behandelte und unbehandelte Stahlplättchen und -stifte (Projekt: Prof. Dr. A. Stemberger) zeigten mit Blutzellen von Normalpersonen keine Unterschiede, bei Stimulation der Zellen nickelallergischer Patienten ließ sich mit behandelten, geringgradig mit unbehandelten Stahlplättchen, eine schwache Proliferations-steigerung erkennen. Beschichtete und unbeschichtete Titanproben zeigten gleiche Ergebnisse. Bei Kokultur mit tantalbehandelten und unbehandelter Stahlplättchen (Projekt: Prof. Dr. R. Thull) war bei direktem Kontakt ein eher hemmender Einfluß durch unbehandelte im Vergleich zu behandelten Stahlplättchen erkennbar.
Der Bayerische Forschungsverbund Biomaterialien initiiert durch das Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst, im 2. Teil gefördert aus der ?High Tech - Offensive Bayern", hat zu wichtigen Fortschritten im Bereich der anwendungsspezifischen Werkstoffmodifikationen für Implantate geführt. Es entstand ein Netz zusammenarbeitender Hochschulinstitute und -kliniken, Kliniken und mittelständischen Unternehmen. Daneben verbesserte die finanzielle Förderung des Freistaates Bayern die Infrastruktur für Forschung und Entwicklung der Institute und Kliniken der Hochschulen über den bestehenden guten Stand hinaus.
Das geflochtene Kompetenznetz im Bereich der Funktionswerkstoffe für den Einsatz im menschlichen Körper wird auch zukünftig erhalten bleiben und weiter verstärkt, um privatwirtschaftlich in einer Projekt-Management-Gesellschaft aufzugehen. Ein Businessplan wurde, ebenfalls durch den Freistaat gefördert, erarbeitet und kann beim Sprecher des Verbundes eingesehen werden. Neben dem Projektmanagement wird zu den Aufgaben des Unternehmens die Beratung von Investoren gehören, die sich am Aufbau kompetenter, wirtschaftlich tragfähiger kleiner und mittelständischer Unternehmen im Bereich der Medizintechnik engagieren und beteiligen wollen.
Alle im Forschungsverbund zusammengefaßten Hochschuleinrichtungen und die beteiligten Unternehmen sprechen dem Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst durch den Sprecher des Verbundes ihren Dank für die wichtige finanzielle Förderung aus. In den Dank eingeschlossen sind natürlich die Gutachter für den Verbund sowie die Herren Ltd. Ministerialdirigent J. Großkeutz als Initiator der Bayerischen Forschungsverbünde und Ministerialrat Ch. Schuberth mit Mitarbeitern für die stete Förderung und Unterstützung der Projekte.