Medizinische Implantate: Stellschraube Material

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Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. e.V.

Die Impedanzspektroskopie erfolgte unter in-vitro-Bedingungen in einem Laborbioreaktor, der eine Messung unter Kontrolle der Temperatur sowie des pH-Wertes und des Sauerstoffgehaltes erlaubt. Die zu untersuchenden Materialien wurden in einem Dreielektrodensystem an einen Impedanzanalysator von Zahner (IM6) gekoppelt, wobei Platin als Gegenelektrode und eine Kalomelelektrode als Bezugselektrode fungierten. Die Aufnahme der Spektren wurde im Ruhepotenzial über einen Frequenzbereich von 100 mHz bis 1 MHz mit einer Amplitude von 10 mV realisiert. Zudem erfolgten vor und nach der Inkubation REM/EDX-Analysen und die Analyse der freigesetzten Elemente mittels AAS.

Bereits die Betragskurven der Impedanz (s. Abb. 2) weisen insbesondere im niederfrequenten Bereich auf eine durch den Silbergehalt verstärkte Oberflächenreaktivität der Legierungen hin. Aus den entsprechenden Ortskurven (Nyquist-Diagramm) lässt sich zudem aufgrund induktiver Anteile eine steigende Neigung zur Lochfraßkorrosion bei den Legierungen Mg6Ag und Mg8Ag feststellen. Die Quantifizierung der aus dem Fit der Spektren abgeleiteten Parameter (s. Abb. 3) Schichtkapazität, Polarisationswiderstand und Induktivität bestätigt das beschleunigte Degradationspotenzial der silberhaltigen Legierungen. Ferner wird durch die elementspezifische Analyse der Oberflächen (EDX) und der Degradationsmedien (AAS) das erhöhte Korrosionspotenzial gezeigt.

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Reduktion der Biofilmbildung auf Mg-Ag-Legierungen

Aus infektionsbiologischer Sicht ist die Vermeidung bzw. Verringerung einer bakteriellen Besiedlung durch Mikroorganismen auf Implantatwerkstoffen eine notwendige Bedingung für einen nachhaltigen Therapieerfolg. Zur Simulation der Bedingungen, denen die Implantate im Körper ausgesetzt sind, wurde ein Laborbioreaktor eingesetzt. Er ermöglicht die Steuerung der für die Korrosion wichtigen Parameter Temperatur, pH-Wert und Sauerstoffgehalt.

Die Bildung eines Biofilmes unter dem Einfluss korrodierender Magnesiumimplantate wurde mit einem in-vitro-Biofilmsimulationssystem getestet, das aus einem Bioreaktor und angekoppelten Fließkammern besteht und durch das eine Staphylokokken-Suspension im Cross Flow über die zu testenden Magnesiumimplantate geleitet wird. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen kam ein Mix der Infektionskeime Staphylococcus aureus (DSM 20231) und Staphylococcus epidermidis (DSM 3269) zur Anwendung. Nach der Inkubation erfolgte die quantitative Analyse der Menge adhärierender Bakterien je Fläche sowie die Bestimmung der Vitalität der Bakterienpopulationen über eine geeignete Fluoreszenzfärbung (Baclight).Die Ergebnisse der Testungen zeigen, dass die Adhäsion von Staphylokokken und deren Vitalität mit steigendem Silbergehalt in den Magnesiumlegierungen signifikant sinkt (vgl. Abb. 4).

Silber reduziert Bakterien-Besiedelung

Für die hier untersuchten silberhaltigen Magnesiumlegierungen ist festzustellen, dass die Korrosionsanfälligkeit mit dem Silbergehalt korrelierbar ist. Impedanzspektroskopische Daten weisen darauf hin, dass dieser Umstand mit einer verstärkten Lochfraßkorrosion bei Legierungen mit hohem Silbergehalt zu begründen ist. Die Beimischung von Silber in Magnesiumimplantate kann zur Reduzierung der Biofilmbildung und damit zur Reduzierung von Infektionsrisiken durch Bakterienadhäsion an künstlichen Implantatoberflächen beitragen. Die Untersuchungen zeigen auch, dass die Kombination von Impedanzspektroskopie mit der biotechnologischen Kultivierung eine sichere und reproduzierbare Prüfung von Magnesiumlegierungen im Hinblick auf ihr Degradationsverhalten und potenzielle antimikrobielle Effekte ermöglicht.

Die Arbeiten wurden im Rahmen der Initiative „Virtual Institutes“ der Helmholtz-Gesellschaft (Förderkennzeichen VH-VI-523) gefördert. Die Autoren bedanken sich bei Prof. Dr. Regine Willumeit-Römer für die freundliche Unterstützung und die Bereitstellung von Mg-Legierungen.n

* Dr. R. Schade, Dr. M. Frant, Prof. Dr. K. Liefeith: Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. (Iba), 37308 Heilbad Heiligenstadt

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