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Implantate Polymerbeschichtungen aus dem Molekülbaukasten

| Autor/ Redakteur: Christof Wöll* und Manuel Tsotsalas* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Implantate werden immer wieder vom Körper des Operierten abgestoßen. Durch die Oberflächenbehandlung mit geeigneten Biomaterialien kann diese Abstoßungsreaktion minimiert werden. Worauf kommt es bei diesen nanoporösen Polymerbeschichtungen an?

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Abb.1: Darstellung einer metallorganischen Gerüstverbindung (SURMOF; links), der Gerüstverbindung nach dem Quervernetzungsvorgang (Mitte) und nach dem Herauslösen der Kupferionen (rechts)
Abb.1: Darstellung einer metallorganischen Gerüstverbindung (SURMOF; links), der Gerüstverbindung nach dem Quervernetzungsvorgang (Mitte) und nach dem Herauslösen der Kupferionen (rechts)
(Bild: KIT)

Das Einlagern von Biomolekülen in Beschichtungen und deren effiziente Übertragung auf darauf haftenden Zellen spielt in vielen Bereichen der Medizintechnik-, Natur- und Lebenswissenschaften eine zentrale Rolle. Die Oberflächen dauerhaft im Körper platzierter Objekte wie Prothesen, Stents und Herzschrittmacher sind von kritischer Bedeutung – ihr Kontakt mit Blut, körpereigenem Gewebe und Zellen bestimmt die Funktion und später das Einwachsen. Falls sich auf den Implantaten Keime angesiedelt haben oder wenn die Beschichtungen Blutgerinnung auslösen, ist der Heilungserfolg gefährdet. Der Einsatz spezieller poröser Beschichtungen, die zusätzlich zu der Kompatibilität mit Gewebe die Eigenschaft besitzen, dass sie mit bioaktiven Substanzen imprägniert werden können, hat sich aus diesen Gründen sehr bewährt. Das zeitlich verzögerte Freisetzen dieser Biomoleküle und Medikamente kann die Besiedlung mit Keimen verhindern und den Heilungsprozess nach der Implantation unterstützen.

Flexibilität ist entscheidend

Bei der Entwicklung der Beschichtung ist es entscheidend einen Ansatz zu wählen, der eine möglichst hohe Flexibilität erlaubt. Ideal sind poröse Materialien, die sich mit Elementen aus einem Baukastensystem aufbauen und individuell an verschiedene, für das Einlagern geeignete Biomoleküle anpassen lassen. Natürlich ist dabei zu beachten, dass die fertigen Beschichtungen keine giftigen Substanzen mehr enthalten und in biologischen Medien stabil sind.

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Am Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des Karlsruher Instituts für Technologie, KIT, wird schon seit längerem an der Entwicklung spezieller Oberflächenbeschichtungen für Anwendungen in verschiedenen technologischen Bereichen geforscht. Bei diesen am IFG entwickelten Materialien handelt es sich um so genannte oberflächenverankerte metallorganische Gerüstverbindungen (SURMOFs). Diese Substanzklasse wird aus Metallionen und organischen Baueinheiten in einem Selbstanordnungsprozess hergestellt, wobei ein hochgeordnetes Netzwerk auf der Oberfläche entsteht. Die Poren des MOF-Gerüsts können durch Wahl geeigneter organischer Baueinheiten angepasst werden. MOF-Materialien werden zurzeit in Pulverform weltweit für eine Vielzahl von Anwendungen hergestellt und vor allem für die Gasspeicherung und -trennung eingesetzt. Obwohl die MOF-Materialklasse erst seit etwa 15 Jahren intensiv erforscht wird, sind schon über 20 000 verschiedene Varianten hergestellt und beschrieben worden. Wegen der großen Bedeutung sind bestimmte Typen von MOF-Materialien auch in Tonnen-Maßstäben kommerziell verfügbar.

Neben dem Einsatz von MOF-Pulvern zur Gasspeicherung und -trennung, spielen zunehmend auch anspruchsvollere Anwendungen eine Rolle, z.B. in der Sensorik, der Elektronik und im medizinischen Bereich. Insbesondere im Zusammenhang mit der Speicherung und der Freisetzung von Medikamenten („drug release“) besteht ein großes Potenzial.

Für viele Anwendungen sind allerdings pulverförmige MOFs nur bedingt geeignet. Beschichtungen mit derartigen Partikeln – z.B. durch Auftragen von Suspensionen – weisen in der Regel nicht die erforderliche Homogenität auf. Deshalb wurde am IFG eine spezielle Beschichtungsmethode entwickelt, bei der die MOF-Materialien in einem quasi-epitaktischen Verfahren „Lage für Lage“ aufgewachsen werden. Obschon diese SURMOF-Beschichtungen erste Anwendungen im Bereich der Sensorik gefunden haben, stand einem Einsatz im biologischen und medizinischen Bereich bislang die geringe Stabilität dieser metallorganischen Materialien in biologischen Medien entgegen – außerdem stellt der Gehalt an potenziell giftigen Metall-ionen ein Problem dar. Um diese Nachteile zu umgehen und das Potenzial dieser Materialklasse auch für biologische Anwendungen nutzen zu können, wurde ein kleiner Umweg in Kauf genommen.

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