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Implantate fordern die Fertigung

Präzise und reproduzierbare Herstellung ist wesentlicher Teil der Prozesskette
Implantate fordern die Fertigung

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Die Medizintechnik und die Implantattechnologie ist weltweiter Markt, der sich durch stetiges jährliches Wachstum auszeichnet. Die präzise, reproduzierbare und kostengünstige Fertigung medizintechnischer Produkte ist ein wesentlicher Bestandteil der Prozesskette, um sichere und bezahlbare Implantate, wie z. B. Herzschrittmacher, künstliche Herzklappen, Stents und Implantate für die Dental- und orthopädische Chirurgie, auf dem Markt platzieren zu können. Hierzu sind innovative Lösungen in der Werkstoffherstellung und -bearbeitung gefordert.

Autor: Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Rainer Bader, Orthopädische Klinik und Poliklinik Universität Rostock, Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie

In der orthopädischen Chirurgie werden beispielsweise als Implantatmaterialien zumeist Titan- und Kobalt-Chrom-Legierungen, Keramiken sowie Kunststoffe aus Polyethylen und PMMA eingesetzt. Die mechanischen und biologischen Anforderungen an derartige Knochenimplantate sind dabei sehr unterschiedlich. Zum einen sollten z. B. die Implantate gewebeschonend in den menschlichen Organismus eingebracht werden können, zum anderen sollten die Implantate stabil im Knochenlager fixiert werden können und dabei nicht übermäßig die Durchblutung des Knochens behindern. Implantate für den künstlichen Gelenkersatz müssen über sehr lange Zeiträume (15 und mehr Jahre) eine suffiziente mechanische Stabilität bei den vorgegebenen limitierten geometrischen Randbedingungen und eine ausreichende Verschleißbeständigkeit besitzen. Daraus resultieren sehr hohe Qualitätsansprüche an die verwendeten Implantatwerkstoffe und deren industrielle Herstellung sowie Bearbeitung.
Überdies müssen die eingesetzten Werkstoffe im biologischen System gut verträglich (biokompatibel) sein. Die Biokompatibilität wird insbesondere durch die chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften der Implantatoberfläche bestimmt. Je genauer die Oberfläche und Struktur des Implantats dem menschlichen Empfängergewebe angepasst ist, desto verträglicher ist dieses. Zum Beispiel kann eine synthetisch hergestellte Calciumphosphat-Beschichtung, welche die chemische Zusammensetzung und die Struktur der anorganischen Phase des menschlichen Knochens nachbildet, das Einwachsen von Implantaten in das Knochenlager verbessern und beschleunigen. Dies kann jedoch nur gelingen, sofern derartige bioaktive Oberflächenmodifikationen keine toxischen oder mutagenen Reaktionen im umliegenden Gewebe auslösen.
Zudem muss bei der Implantatherstellung strikt darauf geachtet werden, dass keine Rückstände aus dem Fertigungsprozess (z. B. Schmieröle oder Späne) auf den Implantaten verbleiben bzw. diese vor der Verpackung und Auslieferung standardisierten Reinigungsprozessen unterzogen werden. Derartige Kontaminationen können zu entzündlichen Reaktionen im Knochenlager führen und die Lockerung und den Wechsel der Implantate nach sich ziehen. Bei resorbierbaren Implantaten muss darauf geachtet werden, dass das Biomaterial und dessen Abbauprodukte keine unverwünschten Reaktionen im Gewebe auslösen.
Implantate werden heute zum Teil beschichtet, um eine Unverträglichkeitsreaktion gegen bestimmte metallische Bestandteile des Implantatwerkstoffs, insbesondere Nickel, Kobalt und Chrom, bzw. die Freisetzung schädlicher Metallionen zu vermeiden.
Ein weiterer häufiger Grund für das Versagen von künstlichen Gelenken ist die durch Keime verursachte Implantat-assoziierte Infektion. Deren Behandlung ist im Gegensatz zur verschleißbedingten Implantatlockerung deutlich schwieriger und aufwändiger. Daher wird derzeit intensiv an antimikrobiellen Implantatbeschichtungen geforscht, um dem Auftreten derartiger Infektionen vorzubeugen.
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