Dünne abbaubare Beschichtungen zur Optimierung der Osteointegration bei gleichzeitiger Infektionsprophylaxe (OsteoInt)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Sofia Dembski; Professor Dr. Andreas Killinger; Privatdozent Dr.-Ing. Michael Seidenstücker
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung seit 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 240897167

Mittels des Hochgeschwindigkeits-Suspensions-Flammspritzverfahren(HVSFS) ist es möglich, dünne Schichten aus resorbierbaren bioaktiven Keramiken auf der Basis von degradierbaren Calciumphosphatkeramiken und bioaktiven Gläsern mitbakteriostatisch/bakterizid wirksamen Metallionen Silber, Kupfer und Bismut herzustellen. Die bisher angewandte Prozessparameter führen zu sehr dichten Schichten, die die Degradierbarkeit erheblich verringern. Damit verbunden ist eine sehr geringe Freisetzungsrate der bakterizid wirksamen Metallionen. Das Ziel des Fortsetzungsantrages ist deshalb, Schichten mit kontrollierbaren Porositäts- und Oberflächenrauigkeitswerten zu entwickeln, um eine Degradation der Schichten sicherzustellen, die synchron mit der Knochenneubildung verläuft. Gleichzeitig soll eine kontinuierliche Freisetzung der Metallionen während der Degradation der Keramikenerzielt werden, die ausreicht, eine Biofilmbildung auf dem Implantat zu verhindern. Hierzu sollen drei verschiedene Lösungsansätze verfolgt werden: 1. Die Prozessparameter waren bisher auf Auftragseffizienz und Schichthaftung hin ausgerichtet und optimiert. Der Fokus bei der Prozessparameteroptimierung soll zukünftig auf einer definiertenPorosität liegen. 2. Ein neu zu entwickelndes Zweiwege-Injektorkonzept erlaubt die Eindüsung von Suspensionen an unterschiedlichen Positionen im Brennstrahl (axialBrennkammerrückseite, radial Freistrahl). Dadurch sollen Partikelströme mit unterschiedlichen Kinetiken erzeugt werden. Durch Variation von Eindüsungsort und Flussmengenverhältnissen soll die Porosität als Funktion dieser Teilströme eingestellt werden. 3. Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist die Implementierung vonNanopartikeln (NP) in die Schichtsysteme. Diese können als Hohlpartikel oder Komplexe himbeerartige Systeme designt werden. Dabei sollen die NP ein ähnliches Resorptionsverhalten wie die verwendeten keramischen Materialien für die Schichtsysteme aufweisen. Schwerpunkt dieses dritten Ansatzes ist die Synthese undCharakterisierung von biodegradierbaren Silica- und Calciumphosphat-NP. Besonderes Augenmerk muss hier auf die Einstellung einer dem Schichtsystem ähnlichen Degradation gelegt werden. Diese NP können sich auch positiv auf die Verhinderung derEntstehung von Rissen in der Beschichtung auswirken. Die Hohlpartikel eröffnen zusätzlich eine neue Möglichkeit, Antibiotika oder antibiotisch wirksame Stoffe in die Schichtsysteme einzubringen. Es ist gegen Ende des Projektes vorgesehen, diese Möglichkeit als Proof-of-Concept zu überprüfen. Die neuen Schichtsysteme sollenhinsichtlich der Degradierbarkeit, der Biokompatibilität und der Freisetzungskinetik der Metallionen analysiert werden. Weiter ist geplant, die antibiotische Wirksamkeit der Spritzschichten zu analysieren. Die Beurteilung der quantitativen, zeitabhängigen Invivo-Degradation der Materialschichten und der Qualität der Osteointegration erfolgen mit Hilfe eines etablierten Tiermodels am Kaninchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen