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Innovativer Regionaler Wachstumskern "Molecular designed biological coating (MBC)"

Verbundprojekt 3: Biofunktionalisierte Metallschäume als Knochenimplantate - POROMES. Schlussbericht. Förderkennzeichen BMBF 03WKBH3 A-C
 
: Glorius, S.; Rößler, S.; Nies, B.; Hauser, R.; Quadbeck, P.; Stephani, G.; Standke, G.; Kopejzny, D.; Lorenz, N.; Lode, A.; Bernhardt, A.; Zieschang, O.; Gelinsky, M.; Farack, J.; Wolf-Brandstetter, C.; Scharnweber, D.
: InnoTERE GmbH, Dresden

:
Fulltext (PDF; )

Dresden, 2010, 137 pp.
German
Report, Electronic Publication
Fraunhofer IKTS ()
Fraunhofer IFAM ()

Abstract
Nahezu alle derzeit am Markt verfügbaren Implantate für die Behandlung hoch belasteter Knochendefekte bestehen aus Metallen, Kunststoffen und gesinterten Keramiken, die zwar hinreichend verträglich sind, sich aber i.d.R. nicht dauerhaft mit dem Knochen verbinden und daher nach individuell unterschiedlichen Zeiträumen versagen und ausgewechselt werden müssen. Die zweite wesentliche Ursache für Implantatversagen ist neben der mangelhaften biologischen Integration der mechanische Mismatch von Implantat und Knochenstruktur, besonders dann, wenn es um große Implantate für Knochenrekonstruktionen geht. Nach Einschätzung der klinischen Anwender sollte ein ideales Material für Knochenersatz und -regeneration primär mechanisch hochbelastbar und zusätzlich vollständig degradierbar sein. Ziel war daher die Entwicklung von biokompatiblen zellularen Metallstrukturen mit an den spongiösen Knochen angepassten Eigenschaften hinsichtlich der Knochenstruktur und -mechanik (strukturelle Biokompatibilität) kombiniert mit einer bioaktiven Modifizierung der Metalloberfläche (Oberflächenbiokompatibilität). Der Lösungsansatz für die Bioaktivierung dieser Metallstrukturen bestand in einer Beschichtung mit nanostrukturierten Calciumphosphaten bzw. in der teilweisen oder vollständigen Füllung der Metallschaumporen durch ebenfalls nanostrukturierte Calciumphosphate (mineralischen Knochenzement). Im Projekt wurden zellulare Metallstrukturen auf Basis unterschiedlicher Metalle (Edelstahl 3161-, Eisenlegierungen) mit adäquaten Eigenschaften (Mechanik, Offenzelligkeit, Homogenität) etabliert. Durch die anschließenden Verfahren zur Bioaktivierung wurden geeignete Implantatmaterialien entwickelt: 1. Offenporige, bioaktiv beschichtete zellulare Metallstrukturen, 2. Verbundmaterialien aus zellularer (und bioaktivierter) Metallstruktur und Knochenzement, wodurch eine sehr gute statische und dynamische mechanische Festigkeit erzielt wurden. Den bioaktivierten Metallstrukturen konnten in in vitro-Untersuchungen mit humanen Stammzellen eine hohe Biokompatibilität und Bioaktivität attestiert werden. Ein weiterer wesentlicher Schritt in die Richtung eines vollständig resorbierbaren Implantats wurde dadurch erreicht, dass Metallschäume aus Eisenlegierung durch eine bioaktive Beschichtung zunächst vollständig vor Korrosion geschützt werden können. Erst der aktive Abbau dieser Schicht durch Knochenzellen wird dazu führen, dass auch das noch vorhandene Metallgerüst langsam abgebaut werden kann. So kann das Implantat am Ende tatsächlich völlig abgebaut und durch körpereigenen Knochen ersetzt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse müssen in den nachfolgenden Entwicklungsarbeiten noch weiter vertieft werden, um bioaktivierte zellulare Metallstrukturen als Implantat auf den Markt bringen zu können. Insbesondere müssen Implantatstudien die Eignung für eine zukünftige klinische Verwendung bestätigen.

 

Almost all currently available implants for bone defect reconstruction in load bearing applications are made of metals, polymeric materials, and sintered ceramics. Though these materials are considered sufficiently biocompatible, they generally do not form stable interfaces with surrounding bone tissue so that after individually different periods implant failures may occur and revisions may become necessary. A further important reason for implant failure is mechanical mismatch between implant and bone structure. This is especially true for large implants designed for bone reconstruction. An ideal material for substitution and regeneration of extended bone defects should combine high initial mechanical stability and degradability. The aim was to utilise biocompatible metal foams for their structural and mechanical similarity with cancellous bone (structural biocompatibility) and combine these with appropriate modifications of the metal surface to confer bioactivity (surface biocompatibility). In the authors' approach to create bioactive metal structures, metal foam surfaces were coated with nanostructured calcium phosphates or by filling the pores of metal foams with biomimetic bone like calcium phosphates (mineral bone cement). The authors developed cellular metal foams based on different metals (stainless steel 316L, steel alloys) with appropriate properties (mechanics, open cellularity, homogeneity). Subsequently, bioactivation processes result in suitable implant materials: open cellular bioactive coated metal foams composite materials existing of i) cellular (and bioactivated) metal foam and ii) mineral bone cement, entailing a material with outstanding statical and dynamical mechanics. In cell culture experiments with human mesenchymal stem cells bioactivated metal foams showed high biocompatibility and bioactivity. A substantial stop towards a fully resorbable and degradable implant was achieved by a new bioactive coating which initially protects iron metal foams from corrosion. Degradation of these metal foams will not start before active resorption of this coating has occurred. Hence the implant may be integrated first and then fully degrade over time and finally become substituted completely by own bone tissue. The authors conclude that development of bioactivated metal foams and metal foam/mineral bone cement composites for application as bone implant materials deserves further efforts. Based on the achieved results implantation studies are justified and should be predictive for performance in clinical application.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-158266.html