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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung
Biomaterialien ersetzen verlorengegangene Körperfunktionen, entweder allein oder in Kombination mit elektrischen oder elektronischen Bauteilen. Künstliche Haut, künstliche Adern, künstlicher Knochen, Hüftprothesen, Herzschrittmacher, Implantate, Zahnersatz: Alle diese En-ungenschaften der modernen Medizin beruhen letztlich auf geeigneten Werkstoffen, die sowohl biologischen als auch chemischen und mechanischen Ansprüchen genügen müssen. Zur Entwicklung bedarf es der gemeinsamen Kompetenz von Medizinern, Chemikern, Physikern, Biologen und Ingenieuren. Dieses Buch soll in die notwendigen Grundlagen in einer für alle diese Ausbildungsrichtungen verständlichen Weise einfahren. Die biologische Erzeugung von Materialien in der belebten Natur („Biomineralisation“; z.B. Zähne und Knochen in Wirbeltieren; Schalen, Panzer und Stacheln in Wirbellosen) wird hier diskutiert, um übergeordnete Prinzipien von Biokompatibilität und Biogenese von solchen Festkörpern darzustellen.
Matthias Epple

2. Grundlagen der Chemie fester Stoffe

Zusammenfassung
Chemische Verbindungen sind durch eine definierte Zusammensetzung aus Atomen gekennzeichnet. So besteht ein Molekül Schwefelsäure, H2SO4, aus zwei Wasserstoffatomen (H), einem Schwefelatom (S) und vier Sauerstoffatomen (O). Für Moleküle gilt immer: Die Atome treten in ganzzahligen Verhältnissen zusammen. Dies ist schon vor etwa 200 Jahren im „Gesetz der konstanten Proportionen“ (Proust, 1799) und im „Gesetz der multiplen Proportionen“ (Dalton, 1803) formuliert worden. Bei festen Stoffen gilt diese Regel nicht immer. Insbesondere bei Festkörpern, die aus Ionen (geladenen Atomen) zusammengesetzt sind, kann es zu nicht-ganzzahligen Verhältnissen der beteiligten Elemente kommen. Dies soll an zwei Beispielen erläutert werden.
Matthias Epple

3. Wichtige analytische Methoden

Zusammenfassung
In diesem Kapitel sollen die wichtigsten strukturanalytischen Methoden vorgestellt werden. Dies sind die Beugungsmethoden, die spektroskopischen Methoden, die elektronenmikroskopischen Methoden sowie die Thermische Analyse.
Matthias Epple

4. Mechanische Testverfahren

Zusammenfassung
Bei Biomaterialien spielen Härte und Elastizität naturgemäß eine sehr große Rolle. Bei näherem Hinsehen stellt man fest, dass auch bei vielen Biomineralien (Zähne, Knochen, Schalen) optimierte mechanische Eigenschaften im Vordergrund stehen. Aus diesem Grund werden in diesem Abschnitt einige wichtige Größen zunächst definiert. Anschließend werden Verfahren zur Messung dieser Größen beschrieben.
Matthias Epple

5. Biologische Testverfahren

Zusammenfassung
Die biologische Verträglichkeit von Biomaterialien muss vor jedem klinischen Einsatz sichergestellt werden. Dabei bedient man sich zunächst geeigneter in-vitro Testverfahren, bevor sich Tierexperimente und klinische Studien anschließen. Zu untersuchende Aspekte sind insbesondere
  • Toxizität
  • Mutagenität und Karzinogenität
  • Immunogenität
  • Gewebeverträglichkeit
Matthias Epple

6. Stoffklassen von Biomaterialien

Zusammenfassung
Die Bereitstellung geeigneter Werkstoffe für den biomedizinischen Einsatz stellt hohe Anforderungen an die Materialeigenschaften. Im Allgemeinen bedarf es der interdisziplinären Kooperation zwischen Ingenieuren, Medizinern und Naturwissenschaftlern, um optimale Werkstoffe zu schaffen. Drei Eigenschaftsfelder müssen beachtet werden, die gemeinsam die Biokompatibilität ausmachen (Abb. 20):
  • Mechanische Kompatibilität
  • Chemische Kompatibilität
  • Biologische Kompatibilität
Matthias Epple

7. Herstellungsverfahren für Biomaterialien

Zusammenfassung
Neben der rein stofflichen Zusammensetzung, wie sie im vorhergehenden Kapitel beschrieben wurde, ist für den Einsatz von Biomaterialien natürlich die Geometrie entscheidend. Zunächst einmal geht es um die makroskopische Geometrie (Schraube, Stift, Platte, ...), zum anderen aber auch um die mikroskopische Geometrie der Oberfläche, die für die Wechselwirkung mit dem umgebenden Gewebe von wesentlicher Bedeutung ist. Die wichtigsten Verarbeitungsverfahren werden im folgenden beschrieben.
Matthias Epple

8. Zwei Fallbeispiele für Biomaterialien

Zusammenfassung
In diesem Kapitel sollen die bisher behandelten Grundlagen an zwei ausgewählten Fallbeispielen illustriert werden.
Matthias Epple

9. Kontrollierte Wirkstofffreisetzung

Zusammenfassung
Zur Gabe pharmazeutischer Wirkstoffe werden im Allgemeinen Tabletten, Spritzen, Salben u.ä. verwendet. Diese diskontinuierlichen Applikationsformen haben den Nachteil, dass der Wirkstoffspiegel (z.B. im Blut) direkt nach der Gabe stark ansteigt und dann wieder langsam durch Metabolisierung des Wirkstoffs absinkt. Es bedarf dann einer neuen Applikation, um den Wirkstoffspiegel im therapeutisch wirksamen Fenster zu halten. Abbildung 52 illustriert diese Problematik, wie sie z.B. bei Diabetikern (Insulin) oder bei Krebstherapien auftritt.
Matthias Epple

10. Die wichtigsten Biomineralien

Zusammenfassung
Die biologische Bildung von anorganischen Mineralien wird allgemein als „Biomineralisation“bezeichnet. Man kennt heute mehr als 70 unterschiedliche Mineralien, die von Lebewesen für die unterschiedlichsten Zwecke verwendet werden: Zum Schutz gegen Feinde (Schale, Abb. 54, 68, 70), als Werkzeug (Zähne, Abb. 67), als Schwerkraftsensor (Otoconien oder Statolithen; Abb. 59) oder als stützendes Gerüst (Skelett; Abb. 42, 71, 72, 73). Mengenmäßig betrachtet sind die Calciumphosphate gegenüber dem Calciumcarbonat (CaCO3) und der Kieselsäure (SiO2•n H2O) von geringerer Bedeutung, da diese beiden Stoffe in riesigen Mengen von marinen Einzellern als Skelettsubstanz verwendet werden. Eine weitere sehr wichtige Klasse von Biomineralien sind die Eisenoxide, die z.B. in den Zähnen von Schnecken oder in magnetotaktischen Bakterien vorkommen.
Matthias Epple

11. Prinzipien der Bildung von Biomineralien

Zusammenfassung
Viele der Grundprinzipien der Biomineralisation sind heute verstanden. Ganz allgemein geht es um die Kontrolle der Kristallisation durch den Organismus, wobei hochspezialisierte Biomoleküle zum Einsatz kommen. Man kann grob fünf Mechanismen unterscheiden, die für die meisten Biomineralien wichtig sind:
1.
Kontrolle über die Kristallkeimbildung
 
2.
Kontrolle über das Kristallwachstum
 
3.
Kristallisation in abgegrenzten Bereichen (Kompartimenten)
 
4.
Bildung eines Verbundes aus anorganischem Mineral und organischer Matrix
 
5.
Zusammenfügen von einzelnen Biokristalliten zu größeren Aggregaten
 
Dies wurde von S. Mann anschaulich mit dem Aufbau einer Stadt verglichen:
a)
„Planung“: Bildung supramolekularer Bereiche, die für die spätere Kristallisation vorgesehen sind.
 
b)
„Fundament“: Keimbildung an definierter Stelle in definierter Orientierung
 
c)
„Gebäude“: Kristallwachstum in definierten Kompartimenten
 
d)
„Stadt“: Zusammenfügen einzelner Kristallite
 
Matthias Epple

12. Fallbeispiele für die Biomineralisation

Zusammenfassung
Nicht alle der in Kapitel 11 dargestellten Prinzipien gelten für alle Biomineralien. Daher sollen einige ausgewählte Beispiele die Biomineralisation illustrieren.
Matthias Epple

13. Anhang

Ohne Zusammenfassung
Matthias Epple

Backmatter

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