Knochen aus Bio-Metall

Regine Willumeit leitet die Abteilung Strukturforschung an Makromolekülen am Institut für Werkstoffforschung. Gemeinsam mit ihren Kollegen – darunter Materialforscher ebenso wie Biologen, Physiker und Strukturanalytiker – verfolgt sie bei der Materialentwicklung für Implantate zwei wesentliche Strategien: Zum einen wollen sie das lange bewährte Titan noch besser für den Einsatz im Körper anpassen. Und zum zweiten setzen sie auf den Werkstoff Magnesium, ein Metall, das biologisch abbaubar ist. Dabei kooperieren die Helmholtz-Forscher eng mit Kliniken und Unternehmen, um ihre Entwicklungen auf die Bedürfnisse der Praxis auszurichten.

Knochen aus Titan werden haltbarer und verträglicher

Titan wird schon lange erfolgreich als Material für Knochenersatz genutzt – zum Beispiel für Hüft- oder Kniegelenke. Allerdings ist die Lebensdauer der Implantate derzeit noch auf etwa 15 Jahre beschränkt. Um die Haltbarkeit künstlicher Knochen zu verbessern, arbeiten die Helmholtz-Forscher daran, die Struktur des Materials und seine mechanischen Eigenschaften noch mehr an das natürliche Vorbild anzupassen, um die Belastung optimal zu verteilen. Die künstlichen Knochen bestehen aus porösem Metall.

Erfolgsgeheimnis: Porosität

Ziel der Forscher ist es, natürliches Knochenmaterial in die Schaumstruktur hinein zu locken, um dessen stabilisierende Eigenschaften zu nutzen. Dazu versehen sie die Titanoberfläche mit einer biomimetischen Schicht aus Lipiden. Sie dienen als Brücke zwischen den Körperzellen und dem Metall und ermöglichen nicht nur eine schnelle Verbindung mit den Zellen, sondern regen auch die Neubildung von Knochenzellen im Metallschaum an. Zurzeit arbeiten die Forscher daran, die Titanbeschichtung für den Einsatz im Körper zu stabilisieren.

Magnesium für Kurzzeitimplantate

Magnesium ist biologisch abbaubar. „In Kontakt mit Salzwasser blubbert es weg wie eine Brausetablette“, veranschaulicht Willumeit die hohe Reaktivität. Daher müssen die Forscher das Material so modifizieren, dass es sich im Körper so langsam wie nötig auflöst. „Auf die klassischen Legierungselemente wie Aluminium wollen wir aber verzichten, denn man weiß, dass das möglicherweise bei der Entstehung von Alzheimer eine Rolle spielt“, sagt Willumeit. Die Geesthachter Forscher im Magnesium Innovation Centre um Prof. Dr. Ing. Karl Ulrich Kainer und Dr. Norbert Hort suchen daher passende Elemente, von denen keine Gefahr bekannt ist und die sich gut verarbeiten lassen.

Erste Tests im Bioreaktor

Mögliche neue Materialien auf ihre biologische Verträglichkeit zu testen, ist ein wichtiger Teil ihrer Arbeit. Zunächst muss sichergestellt sein, dass die Zellen den Kontakt mit dem Metall überleben. Und dann gilt es, das Korrosions- und Abbauverhalten der Metalle unter Zellkulturbedingungen zu untersuchen. „Das sind ganz andere Bedingungen, als sie die Materialforscher normalerweise berücksichtigen“, betont Willumeit. Um die biologischen Bedingungen auch ohne Tierversuche so realitätsnah wie möglich im Labor nachzubilden und insbesondere zu berücksichtigen, dass die Flüssigkeiten im Körper immer in Bewegung sind, haben die Forscher einen neuartigen Bioreaktor entwickelt, in dem die Flüssigkeit zirkulieren kann.

Eine erste Schraube aus Magnesium wird zurzeit im Tierversuch getestet. „Wenn das mit der Bioabbaubarkeit klappt, wäre das ein großer Erfolg“, sagt Willumeit. Ein wichtiges Einsatzgebiet sieht sie im Bereich der Kinderchirurgie. Denn Kinderknochen wachsen noch, mitwachsende Implantate gibt es aber nicht, so dass abbaubare Implantate die Belastung durch häufige Operationen vermindern.

Neues Herstellungsverfahren für frei formbare Ersatzteile

Neben der Zusammensetzung hat auch die Herstellung des Materials einen entscheidenden Einfluss auf sein Abbauverhalten: Schmelzen, Abgießen, optimierte Abkühlraten, thermische Nachbehandlungen. Auch die Beschichtung der Oberflächen etwa mit Polymeren kann den Prozess verlangsamen. „Unser Ziel ist es, eine Matrix zu erstellen, aus der man dann für die gewünschte Materialeigenschaft jeweils die Zusammensetzung und Herstellungsparameter ablesen kann“, erläutert Willumeit.

Metallpulver in Form gespritzt

Sowohl für die Verarbeitung von Titan als auch von Magnesium gelang es den Helmholtz-Forschern um Dr. Thomas Ebel, das Verfahren des „Metal Injection Moulding“ anzuwenden. Hierbei wird das Metallpulver mit einem Bindemittel zu einer kneteartigen Masse vermischt, die unter hohem Druck in diverse Formen gespritzt werden kann. Beim anschließenden Ausbacken verflüchtigt sich das Bindemittel und das Pulver verdichtet sich durch Sintern zu einem kompakten und festen Material. „Das ermöglicht die kostengünstige Massenproduktion zum Beispiel von Knochenschrauben in reproduzierbarer Qualität“, sagt Willumeit.

Uta Deffke