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Foto: HZG
Erst heilen, dann auflösen: Neue Therapie bei Brüchen und Gelenkverschleiß
Geesthacht/Bremen. (RPO). Wenn Metalle sich auflösen, ist das im Alltag oft unerwünscht: Beim Auto wäre das der Supergau. Im medizinischen Bereich hingegen kann es wünschenswert sein. Gebrochene Knochen werden mit Schrauben, Platten, Stifte zusammengehalten, damit sie heilen können. Materialforscher arbeiten mit Hochdruck an Stoffen, die sich im Körper auflösen und dem Patienten eine zweite Operation ersparen.
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Bis heute ist es Gang und Gäbe: Wer einen komplizierten Bruch hat, dem können Mediziner nur helfen, indem sie operativ Platten, Stifte und Schrauben einsetzen, die den Bruch zusammenhalten, bis er wieder geheilt ist. Eine zweite Operation ist notwendig, um dann diese wieder zu entfernen. Im Moment sind es Titan, Edelstahl oder Kunststoffschrauben, die die Patienten dann über Wochen, manchmal auch Jahre mit sich umhertragen. Neue Möglichkeiten zeichnen sich durch die Entwicklung von Magnesiumschrauben und Schrauben aus einer knochenähnlichen Biokeramik ab.
Schrauben aus Materialien, die der Körper kennt
Im ersten Fall soll der körpereigene Stoff Magnesium die derzeitig gängigen Materialien ablösen, so die Hoffnung der Forscher des Helmholtz-Instituts, die daran forschen. „Dieser Stoff bietet sich an, weil dieses Element ein natürlicher Bestandteil des Körpers und somit besonders gut verträglich ist. Das Material ist zudem fest und elastisch zugleich, das heißt, es kann den besonderen Anforderungen im Skelett angepasst werden“, erklärt die verantwortliche Projektleiterin ist die Leiterin der Abteilung „Strukturforschung an Makromolekülen“, Prof. Dr. Regine Willumeit. Allerdings sind diese Schrauben noch in der Entwicklungsphase.
Biokeramik, die sich auflöst
Schon einen Schritt weiter sind hingegen Wissenschaftler der Universität Bremen und des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM). Sie entwarfen eine als Alternative zu den bislang üblichen Metall- oder Kunststoffschrauben eine Knochenschraube aus einer knochenähnlichen Biokeramik zur Behandlung von Kreuzbandrissen. Die Materialwissenschaftler Prof. Kurosch Rezwan und Dr. Philipp Imgrund sowie der Chirurg Prof. Ulrich Wagner haben in ihren Teams die biokeramische Knochenschraube entwickelt und auch schon erfolgreich erprobt. Die bioresorbierbare Knochenschraube befindet sich gegenwärtig im Patentverfahren.
Das Besondere daran: Die neue Schraube entspricht in ihrer chemischen Zusammensetzung nahezu vollständig dem anorganischen Hauptbestandteil des Knochens, dem Calciumphosphat und wird durch ein innovatives Pulver-Spritzgießverfahren hergestellt.
Die knochenähnliche Zusammensetzung sorgt dafür, dass die Schraube später vom Knochen resorbiert werden kann. Dabei wird sie durch körpereigene biologische Prozesse auf natürliche Weise aufgelöst. Frei gesetzt wird dabei Calcium, das direkt in den neuentstehenden Knochen integriert werden kann. Die Forscher sind sich sicher, dass dies zusätzlich sogar den Heilungsverlauf beschleunige. Der zweite Vorteil: Der Patient muss sich kein zweites Mal unters Messer legen, denn die Schrauben lösen sich einfach auf.
Forschung an Magnesiumschrauben
Das Prinzip der Magnesiumschrauben ist ein ähnliches. Allerdings arbeiten die Forscher des Helmholtz-Instituts mit einem anderen Material: Magnesium. Nach Informationen des Abteilungsleiters im Bereich „Magnesiumtechnologie“ des Helmholtz-Zentrums, Dr. Norbert Hort, hat es den Vorteil, dass es sich nirgendwo im Überschuss ansammelt, sondern einfach vom Körper ausgeschieden wird.
Die Herausforderung: Das Implantat darf sich nicht zu schnell und nicht zu langsam abbauen. Manchmal soll es Wochen halten, manchmal Jahre. Die Erwartungen an diese Implantate sind hoch: Mediziner erhoffen von den Prototypen, dass man später nicht mehr unterscheiden kann, ob in dem Knochen mal ein Magnesiumimplantat gesessen hat oder nicht.
Knochenimplantante aus Biomaterialien
Eine weitere Anforderung, die das neue Metall erfüllen muss: Körperzellen sollen sich gut mit dem Metall vertragen, Bakterien hingegen nicht: Lässt eine Magnesiumschraube beispielweise eine starke Besiedelung mit Bakterien zum entstehen Infektionen. Das wünschen sich Mediziner für einen Heilungsprozess natürlich nicht.
Am Helmholtz-Zentrum Geesthacht wird bereits seit einiger Zeit an der die Entwicklung von Bio-Implantaten aus Magnesium geforscht. Neue Prototypen von körperverträglichen Knochenimplantaten aus Magnesium sollen in den kommenden vier Jahren in dem neuen EU-Projekt „MagnIM“ entwickelt und getestet werden. Koordiniert wird das mit drei Millionen Euro ausgestattete Großprojekt vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG).
Prototypen von Bio-Implantaten
Während es bei Hüftprothesen darauf ankommt, dass diese besonders lange halten, gibt es Bereiche, in denen es vorteilhaft ist, wenn sich das Implantat gezielt wieder auflöst. Bei Kindern ist das oft so, denn sie wachsen noch. Was heute eingesetzt wird, kann morgen aufgrund des Wachstums neue Beschwerden verursachen. Hier ist der Einsatz von Biomaterialien, die sich nach einiger Zeit einfach auflösen, von großem Interesse: Die Kinderchirurgie baut auf solche Neuentwicklungen. Auch für die Behandlung von Verletzungen, bei denen zum Beispiel nur vorübergehend Bänder fixiert werden müssen, haben Biomaterialien Vorteile. Dem Patienten werden neuerliche Operationen zum Entfernen von Schrauben und Platten erspart.
Derzeit steht für die Forscher in Geesthacht noch viel Entwicklungsarbeit auf dem Plan. „Die Legierungselemente, zum Beispiel Gadolinium aus dem Bereich der Seltenen Erden, sorgen unter anderem für den gezielten Abbau durch Korrosion. Wichtig sind zudem die Gefüge- und Oberflächenbeschaffenheit, damit etwa die Knochenzellen gut einwachsen. Außerdem dürfen nur unbedenkliche Stoffe eingebaut werden. Aluminium zum Beispiel scheidet als Legierungspartner aus“, betont Entwickler Dr. Norbert Hort.
Ratten sind die ersten Tester
Ein wichtiger Teil der Arbeit von Regine Willumeit ist daher die biologische Verträglichkeit im Zellversuch zu testen. Überleben die Zellen den Kontakt mit dem Metall? Unter welchen Bedingungen läuft die Korrosion ab und wie lang dauert die Zersetzung? Ein speziell in Geesthacht entwickelter Bioreaktor spielt die Versuche realitätsnah durch. Unterstützt werden sie bei dem internationalen Projekt von Wissenschaftlern aus Leuven und Prag.
Im Moment arbeiten die Teams noch an der Entwicklung von Materialien. Schon in den nächsten Jahren sollen diese von Medizinern der Universitäten im Österreichischen Graz und Malmö in Schweden an Ratten getestet werden. Danach wird sich mehr über die Verträglichkeit sagen lassen.
Quelle: wat/chk/top
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