Keramische Überzüge von Knochenimplantaten – Im Nano-Argovia-Projekt «NanoCoat» wird ein kostengünstiger Prozess entwickelt

Das Team im Nano-Argovia-Projekt «Nanocoat» entwickelt eine neue, alternative Methode für die Beschichtung von Implantaten, bei der auf dem Implantat eine Calciumphosphatschicht wächst. (Bild: PSI und Meisinger)

Ein interdisziplinäres Team des Paul Scherrer Instituts und der Fachhochschule Nordwestschweiz arbeitet im Nano-Argovia-Projekt «NanoCoat» mit drei Industriepartnern zusammen. Die Forscher entwickeln ein Protokoll, um Titanimplantate mit einem keramischen Calciumphosphat-Überzug auszustatten. Dieser soll die Integration des Implantats in den neu wachsenden Knochen erleichtern und damit eine bessere Stabilität des Implantats sicherstellen.

Integration in den Knochen ist notwendig
Mit der Entwicklung neuer Technologien, grösserem Wohlstand und einer immer älter werdenden Bevölkerung steigt der Bedarf an Knochenimplantaten kontinuierlich. Ein Grossteil dieser Implantate besteht aus metallischen Werkstoffen. Vor allem Titan hat sich aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften und der optimalen biologischen Verträglichkeit durchgesetzt und wird häufig in der Zahnmedizin, in der plastischen Chirurgie und Orthopädie eingesetzt.

Um eine dauerhafte Verbindung des Titanimplantats mit dem Knochen zu garantieren, müssen sich knochenbildende Zellen (Osteoblasten) auf der Titanoberfläche ansiedeln können. Sie bilden neue Knochenzellen und das Implantat wird nach und nach in den Knochen integriert. Um die Knochenbildung auf der Oberfläche zu unterstützen und das Einwachsen in den Knochen zu fördern, wurden in der Vergangenheit verschiedene Methoden entwickelt. Die Beschichtung mit Hydroxylapatit hat sich dabei als vielversprechende Methode erwiesen. Hydroxylapatit ist eine Calciumphosphat-Verbindung und Hauptbestandteil des Knochens. Am Markt für orthopädische Implantate hat sich das Plasmaspritzverfahren als Beschichtungsprozess durchgesetzt.

Energiesparende Methode wird entwickelt
Im Nano-Argovia-Projekt «NanoCoat» untersucht nun ein Wissenschaftlerteam unter Leitung von Dr. Andrea Testino vom Paul Scherrer Institut eine kostengünstigere, energieeffizientere Methode, um Titanoberflächen mit Calciumphosphaten zu beschichten. Zum Team gehören neben Dr. Andrea Testino Dr. Elisabeth Müller (PSI), Prof. Dr. Michael de Wild (FHNW) sowie die Industriepartner Dipl. Ing. Philipp Gruner (Medicoat AG, Mägenwil), Dr. Burkard Höchst (Hager & Meisinger GmbH, Neuss, Deutschland) und Dr. Walter Moser (Atesos Medical AG, Aarau).

Die Forscher verändern in einem ersten Schritt durch chemische und thermische Behandlung die glatte Titan-oberfläche, sodass diese rau und porös wird. Für die darauffolgende Beschichtung wird das Implantat in einem Beschichtungsreaktor platziert. In diesen wird eine definierte Lösung mit Calciumphosphat-Vorstufen gegossen. Die Forscher konnten belegen, dass unter kontrollierten Bedingungen die Calciumphosphatschicht wächst – sowohl auf dem Implantat wie auch in einer unter der Oberfläche liegenden porösen Schicht. Somit wird das Titanimplantat mit einer Schicht synthetischer Knochensubstanz überzogen.

«Wir sind optimistisch, dass wir in diesem Nano-Argovia-Projekt eine neue, alternative und kostengünstige Methode entwickeln können für die Beschichtung von Implantaten zur Integration in die natürliche Knochensubstanz. Wir hoffen uns damit neue Marktfelder zu erschliessen, für welche unser Plasmaspritzverfahren nicht geeignet ist», bemerkt Philipp Gruner, einer der drei Industriepartner im Projekt «NanoCoat».