Orthopädische Schrauben aus Magnesium, die sich mit der Zeit im Körper auflösen, ersparen Patienten eine weitere Operation nach der Heilung und mindern das Infektionsrisiko. Doch was passiert mit derartigen Implantaten im Körper genau?
Der Empa-Forscher Arie Bruinink hat Flusszellen für die Untersuchung von Magnesiumlegierungen entwickelt, bei denen die Säureregulierung dem menschlichen Körper nachempfunden ist.
Empa
Wo Knochen bersten, müssen Chirurgen die Bruchstücke mit Implantaten zusammenfügen. Dabei stellt sich die Frage, welche Art von Implantaten sie hierzu einsetzen sollen. Schrauben und Platten aus Titan oder Stahl, die im Körper mechanisch und chemisch sehr stabil sind, jedoch später durch einen zweiten Eingriff wieder entfernt werden müssen? Oder Implantate aus organischen Materialien, die sich mit der Zeit auflösen, aber mit gewissen anderen Nachteilen behaftet sein können wie mangelnde Festigkeit oder ungünstige Abbauprodukte? Forscher der Empa arbeiten derzeit an kleinen Implantaten und Schrauben aus Magnesium, die zunächst mechanisch stabil sind und deren kontrollierte Auflösung im Körper später nicht zu Gewebeschäden führt.
Besonders interessant sind derartige Magnesium-Implantate für die medizinisch-orthopädische Anwendung bei Kindern, deren Knochen rasant wachsen. Die bioabbaubaren Schrauben beeinträchtigen das kindliche Knochenwachstum nicht und ersparen eine zweite Operation. Zudem lassen sich so die Risiken einer Infektion mindern und Kosten sparen. "Implantate aus Magnesiumlegierungen sind nicht nur biokompatibel, sondern weisen darüber hinaus in der ersten heiklen Heilungsphase mechanische Eigenschaften auf, die knochenähnlich und daher sogar geeigneter sind als jene von Titan", erklärt Arie Bruinink von der Empa-Abteilung "Fügetechnologie und Korrosion".
Biokorrosion besser verstehen
Der Prozess der Auflösung ist jedoch mit komplexen Korrosionsprozessen und daraus resultierender Oberflächenumwandlung und Produktbildung verbunden. Je nach Art der Magnesiumlegierung kann aufgrund des zu geringen Korrosionswiderstands beim Abbau Wasserstoffgas entstehen, und zwar in einem Ausmaß, dass sogar ein Gaskissen unter der Haut des Patienten entsteht. Diese Biokorrosion, denen eine Magnesiumschraube ausgesetzt ist, ist ein bislang wenig verstandener Vorgang. Die Forscher der Empa wollen mit speziellen Analyseverfahren die Biokorrosion im Körper unter möglichst realistischen Bedingungen abbilden.
Um eine realitätsnahe Vorhersage zum Verlauf der Biokorrosion im Körper zu machen, hat Bruinink experimentelle Analysegeräte und Fliesszellen entwickelt, bei denen die pH-Regulierung dem Körper nachempfunden ist. An den kleinen Flusszellen werden derzeit neben pH-Messungen auch detaillierte elektrochemische Charakterisierungen durchgeführt. Ausgewertet werden etwa elektrochemische Potenziale, Impedanz-Änderungen der Grenzflächen als Merkmal der Korrosion und die Bildung von Wasserstoffgas. "Die Flusszelle ist ein winziges Labor, das die Realität der Biokorrosion lebensnah simuliert", so Bruinink. In einem nächsten Schritt werden die Legierungsproben im Minilabor mit lebenden Zellen zusammengebracht, um das Geschehen im Körper noch detaillierter zu imitieren. Bruinink: "Sobald klar ist, was tatsächlich bei der Biokorrosion mit den Magnesiumlegierungen passiert, können wir die passenden Implantate mit funktionalisierten Oberflächen, die beispielsweise die Reaktionen der biologischen Umgebung begünstigen, erzeugen."