Knochenwachstum an Nano-Schichten aus Titan

Wer über Rückenprobleme klagt, hat meist mit Erkrankungen der Wirbelsäule zu kämpfen. Besonders die Bandscheiben, die zwischen den einzelnen Wirbeln den Druck abfedern und die festen Wirbelkörper zu einem beweglichen Ganzen verbinden, leiden unter falscher Haltung, Fehlbelastungen und Bewegungsmangel. Wenn sie sich irreparabel abnutzen, können Implantate helfen. Als „Platzhalter für die Bandscheibe“ halten sie die Wirbelkörper im richtigen Abstand. Heilungsdauer und -erfolg werden dabei wesentlich von der Oberfläche des Implantates bestimmt. Das Medizintechnik-Unternehmen Orthobion GmbH im baden-württembergischen Konstanz arbeitet dafür erfolgreich mit Nano-Schichten aus Titan.
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Die Wirbelsäule ist ein besonderes Gebilde: Leicht und stabil gebaut und gleichzeitig belastbar und beweglich. Möglich ist das durch das Zusammenspiel fester und weicher Teile. Zwischen den festen Wirbelkörpern befinden sich die so genannten Bandscheiben. In einem festen Ring aus Bindegewebsfasern liegt dabei ein gallertartiger Kern. Wie ein mit Wasser gefülltes Kissen federt eine Bandscheibe den Druck ab, der bei Belastungen auf die Wirbelkörper wirkt. Unter Druck gibt sie Wasser ab, in entspanntem Zustand nimmt sie welches auf. Dieses Wechselspiel ist entscheidend für Gesundheit und Wohlbefinden. Durch Dauer- und Fehlbelastungen leiden die Bandscheiben ebenso wie durch Bewegungsmangel. Foto: Dieter Schütz / pixelio.de
Wenn Bandscheiben vollständig zerstört werden, reiben die Wirbelkörper aufeinander. Die Betroffenen haben starke Schmerzen und können oftmals Arme oder Beine nicht mehr bewegen. In solchen Fällen kann ein Implantat, wie das hier abgebildete, Linderung verschaffen. Zwischen die Wirbelkörper der Halswirbelsäule eingesetzt, hält es sie im richtigen Abstand und stabilisiert die Wirbelsäule. In die Aussparungen werden Knochenspäne oder künstliches Knochenersatzmaterial (KEM) gefüllt, damit sich von dort aus neues Knochengewebe bilden kann. Ziel ist, die beiden Wirbel über eine Knochenbrücke, die das Implantat fest einschließt, miteinander fest zu verbinden. An dieser Stelle bleibt die Wirbelsäule fortan unbeweglich, der Patient hat aber keine Schmerzen mehr und kann seine Gliedmaßen wieder bewegen. Foto: MLR
Die so genannten Cages (von Englisch: cage = der Käfig), die zwischen die Wirbel geschoben werden, gibt es in verschiedenen Breiten, Höhen und Neigungswinkeln, um für jeden Patienten den individuell passenden zu finden. Wie die Lendenwirbelsäulen-Implantate in unserem Bild sind sie üblicherweise aus medizinischem Kunststoff. Er ist leicht, annähernd so elastisch wie natürliches Knochenmaterial und auf Röntgenaufnahmen nicht sichtbar. Dadurch kann man nach der Operation sehen, ob und wie sich Knochensubstanz am Implantat gebildet hat. Einer seiner Vorteile ist zugleich ein entscheidender Nachteil: Medizinischer Kunststoff reagiert im Körper nicht mit den organischen und chemischen Verbindungen in seiner Umgebung – auch Knochenzellen können also nicht an ihm haften. Ein Kunststoffimplantat kann daher nie wirklich in den Knochen einwachsen. Stattdessen wird es oft von einer dünnen Bindegewebsschicht umschlossen, an der dann zwar tatsächlich eine Knochenbrücke entsteht. Da Bewegungen des Menschen auch das Implantat in winzige Bewegungen versetzt, können aber langfristig wieder neue Schmerzen auftreten. Foto: MLR
Sehr gut verträglich, antiallergen und dabei leicht ist auch Titan. Das macht das Metall zu einem beliebten Material für Schmuck. Auch medizinische Prothesen und Implantate, die fest mit dem Knochen verbunden werden sollen, werden heute vielfach aus Titan gefertigt. Seine Oberfläche ist auch für Knochenzellen sehr attraktiv, die Implantate werden daher schnell in das Gewebe integriert. Dennoch sind Wirbelsäulen-Implantate aus Titan nicht die beste Wahl: Zum einen ist Titan deutlich fester als Knochenmaterial, Titan-Cages können daher langsam in die Wirbel einsinken und erneut Schmerzen hervorrufen. Zum anderen erscheint Titan im Röntgenbild so hell, dass alle anderen Bildpunkte überstrahlt werden und man das tatsächliche Knochenwachstum nicht beobachten und kontrollieren kann. Foto: Maja Dumat /pixelio.de
Die Firma Orthobion hat einen Weg gefunden, die Vorteile der beiden Materialien zu kombinieren: Auf einen Cage-Rohling aus medizinischem Kunststoff bringen die Ingenieure des Unternehmens eine nanometer-dünne Schicht reinen Titans auf. Dafür erhielt das Unternehmen im Jahr 2013 den Sonderpreis des Innovationspreises des Landes Baden-Württemberg (im Bild v.l.n.r.: Ingo Rust, MdL, Staatssekretär im Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg, Guy Selbherr, Geschäftsführer der MBG Mittelständischen Beteiligungsgesellschaft Baden-Württemberg mbH, Katharina Tautz, Ingenieurin bei der Orthobion GmbH, Dietmar Schaffarczyk, Geschäftsführer der Orthobion GmbH, Johannes Schmalzl, Regierungspräsident des Regierungspräsidiums Stuttgart). Der Rudolf-Eberle-Preis wird seit 1985 alljährlich an kleine und mittlere Unternehmen für beispielhafte Leistungen in der Entwicklung neuer Produkte, Verfahren und technologische Dienstleistungen oder bei der Anwendung moderner Technologien vergeben. Foto: Jörg Jäger Fotografie
Diese besonderen Wirbelsäulenimplantate entstehen in mehreren Schritten. Zunächst wird der Körper des Implantats aus medizinischem Kunststoff gefertigt. Das übernimmt eine computergesteuerte Fräse. In einem weiteren Arbeitsschritt wird dem künftigen Cage auch die besondere Oberfläche gegeben: Gleichmäßig über das ganze Stück verteilt formen winzige Berge und Täler eine Mikro-Topografie, an der Knochenzellen später gut anwachsen und sich ausbreiten können. Zwischen 10 und 60 Mikrometer sind die Erhebungen hoch – gerade genug, um eine große Oberfläche zu schaffen und flach genug, damit Knochenzellen die Abstände überbrücken können. Etwa 25 Minuten dauert es, bis der Rohling fertig ist. Im Anschluss werden noch zwei kleine Stifte aus Tantal eingesetzt, die dafür sorgen, dass seine Position bei späteren Röntgenuntersuchungen zu sehen ist. Foto: MLR
Im nächsten Schritt wird reines Titan aufgebracht. Das geschieht im Hochvakuum in einer künstlichen Argon-Atmosphäre. In der Beschichtungsanlage befinden sich hochreines Titan und die Kunststoffrohlinge. Die Kräfte, die währen des Beschichtungsprozesses auf das Titan wirken, sind enorm: Atome lösen sich einzeln aus dem Titan und setzen sich gleichmäßig auf der Oberfläche der Implantat-Rohlinge ab. Foto: MLR
Nach Ende dieses Arbeitsschrittes ist auf die Oberfläche der Implantat-Rohlinge (im Bild oben) gerade so viel Titan aufgetragen, dass die Knochenzellen gut daran haften und so wenig dass die besondere, für die Knochenzellen attraktive raue Oberflächenstruktur des Cages erhalten bleibt. Zwischen 200 und 250 nm dick ist diese Schicht, die fest und untrennbar durch eine chemische Reaktion mit dem darunter liegenden Kunststoff verbunden ist. Sie ist so dünn, dass die beschichteten Implantate auf Röntgenaufnahmen nur anhand ihrer Tantal-Markierungen zu erkennen sind. Foto: MLR
Die Implantate aus Titan-Kunststoff zeigen sich in Studien an Zellkulturen und Schafen als großer Fortschritt: Knochenzellen haften direkt an der Oberfläche, sie vermehren sich schnell und überzie-hen das Implantat gleichmäßig. Die Knochenbrücke wächst daher sehr rasch und ist schnell geschlossen. Für die Patienten kann das eine große Erleichterung bedeuten. Sie sind in vielen Fällen schneller wieder schmerzfrei und bewegungsfähig, Folgeoperationen sind nicht nötig und statt aufwändigen Untersuchungen im Computertomographen könnten Röntgengeräte zur Nachsorge eingesetzt werden. Foto: MLR
Die titanbeschichteten Wirbelsäulenimplantate sind bereits als Medizinprodukte zugelassen und werden erfolgreich zur Stabilisierung der Hals- und Lendenwirbelsäule eingesetzt. Sie haben also den Nachweis erbracht, dass sie hilfreich und für die Patienten sicher sind. Orthobion untersucht auch weiterhin regelmäßig, ob der verwendete Kunststoff die mechanischen Belastungen während der Operationen und in der Wirbelsäule aushält. Bleibt der Kunststoff auch bei großem Druck, in Drehungen oder bei Zug unversehrt? Halten die Implantate sicher ihre Position zwischen den Wirbeln (im Bild: Standard-Kunststoffstücken für solche Untersuchungen)? Ebenso werden die Wechselwirkungen des Implantates mit seiner Umgebung untersucht. Diese Untersuchungen belegten: Das Titan bleibt auch unter den Bedingungen im Köper untrennbar mit dem Kunststoff verbunden, ein Übergang von Titan in die Knochenzellen findet nicht statt. Foto: MLR
„Es ist die Kombination aus Oberflächenstruktur und nanometer-dünner Titanbeschichtung, die das Knochenwachstum an unseren Implantaten so verbessert. Diese Technik ist im Prinzip auch für andere Implantate einsetzbar und könnte auch dort zu mehr Lebensqualität für die Patienten führen“, ist sich Dietmar Schaffarczyk sicher. Der Geschäftsführer der Orthobion GmbH erklärt: „Implantate sind nie perfekt. Wir suchen immer weiter nach Möglichkeiten, sie zu verbessern. Die Nano-Beschichtung mit Titan ist eine davon.“ Foto: MLR