Beschichtungen durch die Plasmaparameter gesteuert werden können und die erzeugten Polymerschichten besonders stabil und resistent sind. [32, 33, 34, 35, 36, 37, 38]
1.2 Motivation und Vorgehen
In der vorliegenden Arbeit wurde chirurgischer Edelstahl (316L) mittels eines APPJ zur Anwendung für Knochenimplantate beschichtet. Hierfür wurden gezielte Beschichtungen entwickelt, um die Osseointegration zu steigern, Beschichtungen mit antibakteriellen Eigenschaften zu erzeugen und Barriereschichten zu generieren, welche eine Korrosion oder ein Herauslösen von Ionen aus dem Implantatbulkmaterial verhindern.
Die antibakteriellen Eigenschaften wurden mittels Titandioxid Beschichtungen ver-wirklicht, welche durch gasförmiges Einleiten eines Sols in die Plasmaflamme generiert wurden. Titandioxid hat den Vorteil im Vergleich zu anderen antibakteriellen Materialien, dass es biokompatibel ist und daher häufig für Knochenimplantate verwendet wird. Die antibakterielle Wirkung beruht auf der photokatalytischen Aktivität von Titandioxid, welche zum einen eine Anhaftung von Bakterien verhindern kann und zum anderen, durch Bildung von hochreaktiven Radikalen, eine abtötende Wirkung auf Bakterien hat.
Die Osseointegration wird durch Beschichtungen aus Hydroxylapatit (HA) optimiert.
HA ist im natürlichen Knochen zu großen Anteilen vorhanden und bietet daher eine gute Kontaktfläche für Knochenzellen. Die Beschichtungen wurden durch ein flüssiges Einsprühen, in Form eines Sols, in die Plasmaflamme erzeugt.
Die Barrierebeschichtung wurde durch eine Plasmapolymerisation von Hexamethyl-disiloxan (HMDSO) durch gasförmiges Einleiten in die Plasmaflamme hergestellt.
HMDSO wird bereits in vielen Bereichen als Haftvermittler und ab und an auch als Korrosionsschutz verwendet. Die mittels APPJ erzeugten Beschichtungen weisen hohe Vernetzungsgrade auf, sind relativ hitzebeständig und zeigen eine gute Adhäsion zu dem Bulkmaterial. [33]
Da Implantatoberflächen jedoch alle drei Eigenschaften erfüllen sollen, wurde zusätzlich eine Mischschicht generiert. Hierbei wurde eine siloxanartige Beschichtung mit Titandi-oxid erzeugt. Um solche Beschichtungen vorzunehmen, werden meist zwei Zuführsysteme benötigt, welche die jeweiligen Komponenten in das Plasma einleiten. Dies wurde hier umgangen, indem ein Sol aus zwei Komponenten hergestellt wurde, welches gasförmig in das Plasma geleitet wird. Sowohl das in der Schicht vorhandene Siliziumdioxid wie auch Titandioxid sind dafür bekannt, die Osseointegration zu steigern. Die antibakterielle Eigenschaft wird durch das Titandioxid und die Barriereeigenschaft durch das Siloxan gewährleistet. Diese multifunktionalen Beschichtungen bieten eine große Chance, um Implantate in jeder Hinsicht optimal zu verbessern.
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Biokompatibilität
Die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes zur Herstellung eines Implantates stellt die größte Herausforderung in der biomedizinischen Technik dar. Der Werkstoff muss unter anderem biokompatibel sein und in physiologischer Umgebung beständig sowie funktionstüchtig.
Die Biokompatibilität wird auf verschiedene Arten definiert, 1986 wurde sie auf der Consensus Conference of the European Society of Biomaterials (ESB) als „...ability of a material to perform with an appropriated host response in a specific application“ [39]
definiert.
Biokompatibilität kann in Struktur- und Oberflächenkompatibilität unterteilt werden, wobei beide jeweils eine dynamische und eine statische Komponente aufweisen. Unter Oberflächenkompatibilität wird die chemische, biologische, morphologische und physika-lische Anpassung der Eigenschaften des Implantates an das jeweilige Gewebe mit dem Ziel der Interaktion verstanden. Bei der Strukturkompatibilität steht die Anpassung des Implantates an das mechanische Verhalten des Gewebes im Vordergrund. Hierunter ist unter anderem das Design sowie die innere Struktur des Implantates gemeint.
Die dynamische Komponente zieht die Implantatdauer in Betracht, hier werden nach Anhang IX der Richtlinie 93/42/EWG, Medizinprodukte in vier (I,IIa, IIb und III) Klassen unterteilt, siehe Tabelle 2.1. [2, 40]
Tabelle 2.1: Klassifizierung von Medizinprodukten gemäß Anhang IX der Richtlinie 93/42/EWG IIa Anwendungsrisiko ≤30 Tage Desinfektionsmittel,
Kontaktlinsen
Je nach Implantatklasse werden unterschiedliche Anforderungen an die Interaktion zwischen Gewebe und Implantat gestellt. Allgemein gilt jedoch, dass ein biokompatibler Werkstoff nicht toxisch, entzündlich, allergisch oder karzinogen wirken darf. Die benötigten Tests um diese Eigenschaften auszuschließen sind in DIN EN ISO 10993 festgehalten. Implantate, die in Kontakt mit Knochengewebe treten, sollten vor allem
8 2 Theoretische Grundlagen eine gute Gewebeverträglichkeit besitzen. Schenk et al. klassifizierten, bezogen auf Knochenimplantate, folgende Arten der Kompatibilität (siehe Tabelle 2.2):
Tabelle 2.2: Einteilung der Kompatibilität von Knochenimplantaten nach Schenk [2]
Inkompatibel Substanzen werden in toxischen Konzentrationen frei.
Zur Folge hat dies: Allergien, Entzündungsreaktionen, Nekrosen, Fremdkörper- oder Abstoßungsreaktionen.
Biokompatibel Substanzen werden in nicht-toxischen Mengen frei. Dies kann zu schwachen Fremdkörperreaktionen oder Einkap-selungen in Bindegewebe führen.
Bioinert Keine toxischen Substanzen werden freigesetzt.
Bioaktiv Die Interaktion ist positiv. Es tritt eine Gewebedifferen-zierung auf und dadurch eine Bindung oder Adhäsion von Knochen an das Implantat.
Induktiv Heterotrope Knochenbildung findet statt.
Konduktiv Das Implantat bildet ein Gerüst für die Knochenablage-rung.
Um ein Implantat optimal zu gestalten, müssen dessen Eigenschaften mit denen des umliegenden oder zu ersetzenden Gewebes übereinstimmen. Es müssen sowohl die physi-kalischen wie auch die chemischen Eigenschaften passen, um einen geeigneten Ersatz zu schaffen. Der wesentliche Unterschied zwischen Implantaten und natürlichem Gewebe ist, dass Implantate keine eigene Regenerationsfähigkeit besitzen. Viele Erkenntnisse über Implantate beruhen auf in vivo Studien, da nur unzureichende Informationen bezüglich des Verhaltens mit biologischem Gewebe zur Verfügung stehen. Dies hat oft verheerende Folgen wie zum Beispiel Nickelallergien oder Abstoßungsreaktionen wie bei Mammaplastiken aus Silikon. Ein interessantes Beispiel ist Polytetrafluorethylen, welches sich hervorragend als Implantatmaterial für den Gefäßersatz eignet, jedoch im Bereich der Hüftgelenkpfanne zu großen Problemen führt. Daraus lässt sich schließen, dass ein Implantatmaterial für den gewünschten Einsatz spezifisch zu untersuchen und zu bewerten ist. [2, 40]
2.1.1 Implantat-Gewebe Interaktion
Durch den Einsatz von Implantaten in den menschlichen Körper wird eine Gewebere-aktion hervorgerufen. Hier unterscheidet man vier Arten, welche aufgrund spezifischer Implantateigenschaften hervorgerufen werden [2]:
• Gewebenekrose
• Bildung einer nicht-adhärenten Bindegewebskapsel um das Implantat
• Ersatz des Gewebes durch das Implantat
• Bildung einer Bindung zwischen Gewebe und Implantat
2.2 Implantatwerkstoffe 9