Teilprojekt R1 - Magnesiumdegradation

Entwicklung von biokompatiblen Magnesiumlegierungen und Untersuchung von deren Degradationsverhalten

Projektbeschreibung:

Im Rahmen des Teilprojektes werden Legierungen für degradable Implantate auf Magnesiumbasis entwickelt. Diese Implantatwerkstoffe sollen sowohl für den Hart- (hohe Festigkeit) als auch für den Weichgewebeeinsatz (hohe Duktilität) geeignet sein. Der dem Bauteil und seinem Implantationsort angepasste Degradationsverlauf wird über verschiedene Beschichtungen und die Variation der Werkstoffzusammensetzung eingestellt. Die Legierungen werden in In-vitro- und Ex-vivo-Testsystemen auf Biokompatibilität in unterschiedlichen Gewebearten geprüft und in In-vivo-Systeme überführt. Als Applikation werden Stents für die Nasennebenhöhle hergestellt.

Im ersten Antragszeitraum wurden verschiedene Magnesiumlegierungssysteme auf ihre grundsätzliche Eignung als Implantatwerkstoff untersucht. Das Legierungssystem Magnesium-Kalzium (MgCa) hat aufgrund der Eigenschaften einer guten Korrosionsbeständigkeit, guter Festigkeitswerte und guter Verarbeitbarkeit (Herstellung dünner Röhrchen) das Potenzial, als Implantatmaterial eingesetzt zu werden. Um den Korrosionsangriff zu beeinflussen, wurden Magnesiumfluoridschichten aufgebracht und analysiert. Die Legierungsentwicklung für degradable Implantate auf Magnesiumbasis soll im nächsten Antragszeitraum fortgeführt werden. Das MgCa-System und die Erfahrungen aus dem ersten Antragszeitraum dienen als Basis für die Weiterentwicklung. Zur weiteren Steigerung der Duktilität (Zielgröße der Dehnung: 20 %) wird im Folgezeitraum das System um die Elemente Lithium, Aluminium und Zink erweitert. Der Einsatz der neu beschafften Strangpresse ermöglicht, u.a. durch Kornfeinung, die Werkstoffeigenschaften zu verbessern. In Abhängigkeit des Korrosionsangriffes werden die mechanischen Eigenschaften bestimmt. Es erfolgen qualitative und quantitative Analysen der entstehenden Korrosionsprodukte. Aufgrund der sehr großen Anzahl möglicher entstehender Verbindungen werden Korrosionsmedien unterschiedlicher Zusammensetzung, beginnend mit destilliertem Wasser über NaCl- und Ringer-Lactat-Lösungen für die Korrosionsversuche verwendet. In das Versuchsprogramm der Beschichtungsentwicklung werden Systeme auf Hydroxylapatit-Basis sowie auf Titan- und Polymerbasis, mit dem Ziel das Einwachsverhalten im Knochenbereich zu verbessern bzw. die Degradationsgeschwindigkeit zu vermindern, aufgenommen. Die Eignung der entwickelten Legierungen wird am Beispiel von degradablen Stents für eine Applikation in der Nasennebenhöhle des Menschen nachgewiesen. Bei einer chronischen Nasennebenhöhlenentzündung (Sinusitis) muss häufig durch eine Operation die erkrankte Schleimhaut entfernt, bzw. müssen neue Öffnungen zu den Nasennebenhöhlen geschaffen werden. Nach der Operation kommt es zu einer Schwellung der Schleimhaut und zu einer Verstopfung und Verlegung der operativ neu geschaffenen Durchgänge. Dies kann kurzfristig durch Einlage von Silikon-Kathetern vermieden werden. Um eine mittel- bis langfristige Stenosierung durch zirkuläre Narbenbildung zu vermeiden gibt es bislang keine befriedigende Lösung. Ein Ansatz ist die Einbringung degradierbarer Stents auf Magnesiumbasis, die nur an beiden Enden eine Dilatation zulassen, um so zuverlässig die Dislokation sowohl in die Nasennebenhöhle, als auch in die Nasenhaupthöhle zu verhindern. Um die Legierungen und temporären Implantate für den Einsatzort zu etablieren sind ausführliche In-vitro-, Ex-vivo- und In-vivo-Untersuchungen notwendig. Die etablierten Modelle des isoliert perfundierten bovinen Euters und Uterus lassen Aussagen über die Degradation und die lokale Gewebereaktion zu. Für den chronischen Tierversuch sind Implantationen in den Nasennebenhöhlen des Schweins geplant. Bei den im ersten Antragszeitraum durchgeführten Untersuchungen zur Korrosion der Legierungen zeigte sich bei Vergleich der verschiedenen Versuchsmodelle (In-vitro-System mit gepufferter Salzlösung versus In-vivo-Implantation im Tierversuch) in-vitro eine deutlich höhere Degradationsgeschwindigkeit. Daher werden die Legierungen zukünftig in verschiedenen In-vitro- und Ex-vivo-Modellen untersucht, um ein tierversuchsfreies System zur Testung der Degradation und der biologischen Wirkung der Degradationsprodukte zu entwickeln. Die isolierten Organe sind in diesem Zusammenhang ein sinnvoller Zwischenschritt, da sie Untersuchungen am intakten, mit In-vivo-Bedingungen vergleichbaren Gewebeverband ermöglichen und verschiedene Gewebearten miteinander vereinen (Haut, Schleimhaut, Muskulatur, Gefäße). Weiterhin sind die Modelle als Ersatz- und Ergänzungsmethoden zum Tierversuch etabliert und gut charakterisiert.