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Bakterienbesiedelung auf Magnesium-Implantaten reduzieren

Medizinische Implantate: Stellschraube Material

| Autor / Redakteur: Dr. Ronald Schade, Dr. Marion Frant und Prof. Dr. Klaus Liefeith* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Sie stabilisieren beispielsweise verletzte Knochen und ermöglichen so deren Heilung: Medizinische Implantate
Abb. 1: Sie stabilisieren beispielsweise verletzte Knochen und ermöglichen so deren Heilung: Medizinische Implantate (Bild: ©edwardolive - stock.adobe.com)

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Ob in der Unfallchirurgie oder der Orthopädie – medizinische Implantate sind aus der Medizin nicht mehr wegzudenken. Seid einigen Jahren verstärkt auch solche, die sich im Körper „von selbst“ wieder abbauen. Eine Verkeimung gilt es zwingend zu verhindern – z.B. durch eine intrinsische Infektionsprophylaxe des Materials.

Wer sich schon einmal Schulter, Knöchel oder Handgelenk kompliziert gebrochen hat – beispielsweise bei einem Sturz mit dem Fahrrad – der weiß die „Erfindung“ medizinischer Implantate zu schätzen. Geben sie doch dem lädierten Knochen wieder Stabilität und ermöglichen so erst die Heilung. Manche Implantate verbleiben dauerhaft im Körper, andere werden nach Abschluss des Heilungsprozesses wieder entfernt.

Letzteres macht eine zweite Operation notwendig. Jede OP ist für den Patienten jedoch ein potenzielles Risiko, weshalb – wo möglich – verstärkt auf solche Implantate gesetzt wird, die sich im Körper nach definierter Zeit „von selbst“ wieder abbauen. Allen Implantaten gemein ist: Eine Verkeimung stellt für den Patienten eine große Gefahr dar und muss zwingend vermieden werden. Über den Einsatz bestimmter Werkstoffe kann eine intrinsische Infektionsprophylaxe betrieben werden, doch müssen natürlich auch alle anderen Materialeigenschaften im Sinne der medizinischen Anwendung stimmen.

Medizinische Implantate aus Magnesiumlegierungen

Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und der guten Biokompatibilität vielversprechende Materialien für einen Einsatz in der Medizin. Ihre Degradation in physiologischer Umgebung ermöglicht die Entwicklung bioresorbierbarer Implantate. Demgegenüber geben die Steuerung der Korrosionsprozesse und die Darstellung antiinfektiver bzw. antibakterieller Oberflächen aktuelle Anforderungen vor. Diesem Ziel ordnet sich die Entwicklung von antibakteriellen Magnesium-Silber-Legierungen unter. In Zusammenarbeit mit den Universitätskliniken in Hamburg, Hannover und Graz, dem Iba Heiligenstadt e.V. sowie weiteren Partnern hat das Helmholtz-Zentrum Geesthacht unter der Federführung von Prof. Dr. Regine Willumeit-Römer eine Forschungsinitiative zu Magnesium-Implantaten initiiert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der antimikrobiellen Modifizierung des Magnesiums durch Silber.

Intrinsische Infektionsprophylaxe des Materials

Silber kann die Besiedelung und Vitalität von Bakterien reduzieren und so die Infektionsgefahr senken. Allerdings wird auch die Korrosionsgeschwindigkeit von Magnesium durch den Silberanteil erhöht. Durch Gadolinium als weiteres Legierungselement lässt sich jedoch die Geschwindigkeit der Korrosion beeinflussen. Damit ist es möglich, die Korrosion und Bioresorption von Magnesium an die erforderliche Zeit der Implantatbeständigkeit anzupassen, ohne auf den infektionshemmenden Effekt von Silber verzichten zu müssen.

Degradationsanalyse mittels Impedanzspektroskopie

Die Erfassung der Korrosionsmechanismen ist das Ziel elektrochemischer Methoden zur vergleichenden Betrachtung metallischer Werkstoffe. Hierbei ist der wesentliche Vorteil der Impedanzspektroskopie gegenüber der potenziodynamischen Polarisation die deutlich geringere Einflussnahme auf das Werkstoff-Elektrolyt-System durch eine nur geringe Polarisation relativ zum freien Korrosionspotenzial (Kleinsignalbereich). Es können mittels dieser Methode Aussagen zum dynamischen Verhalten eines Werkstoffs unter korrosiven Bedingungen getroffen werden. Zudem erlaubt eine angepasste Methodik eine Aussage zum zeitabhängigen Systemverhalten von dynamischen Systemen.

Dem Metall wird dabei eine Wechselspannung als periodisches Anregungssignal aufgeprägt. Die Messung des Wechselstroms als ebenfalls periodisches Antwortsignal erfolgt frequenzabhängig. In Abhängigkeit der Einflussgrößen z.B. Korrosionsmedium, Amplitude und Frequenzbereich sind Aussagen über den Korrosionsprozess an der Phasengrenze, die Ausbildung von Deckschichten und die Reaktionsmechanismen möglich. Die Entwicklung von Magnesium-Silber-Legierungen zielt auf die Nutzung der antibakteriellen Eigenschaften des Silbers ab. Gleichzeitig ist bekannt, dass Silber als Legierungselement die Degradation des Magnesiums fördert. In Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht (Institut für Werkstoffforschung) wurden Magnesium-Silber-Legierungen mit steigendem Silbergehalt – Mg1Ag, Mg2Ag, Mg6Ag, und Mg8Ag – bezüglich des Korrosionsverhaltens und ihres Biofilmbildungpotenzials bewertet.

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