Antibakterielle Wirkung von silber-modifizierten Implantatwerkstoffen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Jessica Meißner; Professor Dr.-Ing. Mirko Schaper
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538437364

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eisenbasierter Werkstoffe mit antibakterieller Wirkung als innovative Implantatwerkstoffe zur Vermeidung von Implantat-Infektionen. Diese stehen dem Nutzen der Implantate gegenüber und sind mit erheblichen Belastungen von Patient*innen und Folgekosten verbunden. Bei Infektionen entsteht auf der Implantatoberfläche ein Biofilm, der die verursachenden Keime vor dem Immunsystem und Therapien schützt. Auch bei hohen medizinischen Standards kann eine Infektion nicht vollständig ausgeschlossen werden, sodass die zunehmende Verbreitung von u.a. multiresistenten Keimen Fortschritte in der Medizintechnik gefährdet. Derzeit eingesetzte inerte Werkstoffe sind meist ohne Berücksichtigung der Infektionsproblematik entwickelt worden. Daher werden zunehmend verschiedene Ansätze zur Modifikation von Implantaten, z. B. durch die Freisetzung von antibakteriell wirksamen Silberionen, adressiert. Im Rahmen des beantragten Forschungsprojektes sollen oberflächennahe Phasen einer degradierbaren Silberlegierung in Kombination mit einem inerten eisenbasierten Implantatwerkstoff eingestellt und genutzt werden, um eine angepasste Silberkonzentration zur Infektionsvermeidung freizusetzen. Geringe Dosen sind ausreichend, da die Ionen direkt am Zielort frei werden und so die abschirmende Wirkung des Biofilmes umgangen werden kann. Die vollständige Unlöslichkeit von Eisen und Silber ineinander ermöglicht die Einstellung dieser Silberphasen, erschwert aber im Gegenzug die Prozessierung. Pulvermetallurgische Verfahren, wie das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen (LPBF), ermöglichen die Verarbeitung von pulverförmigen Mischungen der einzelnen Materialkomponenten. Im eisenbasierten, inerten Werkstoff 316L sollen mittels LPBF gezielt oberflächennahe Phasen einer degradierbaren, im Eisen unlöslichen, funktionalen Silberlegierung eingestellt werden, die in einer gezielten Freisetzung von Silberionen resultieren. Um die Biokompatibilität von freigesetzten Degradationspartikeln zu untersuchen, sollen Primärzellen (Osteoblasten) und Zelllinien (u.a. Fibroblasten und Endothelzellen) für die Untersuchung herangezogen werden. In den Zellen werden mögliche Stressreaktionen auf den Legierungskontakt durch die Freisetzung von Entzündungsmediatoren und Veränderungen im Zellstoffwechsel erfasst. Um antibakterielle Eigenschaften der Legierung näher zu charakterisieren, werden darüber hinaus verschiedene Szenarien einer Co-Inkubation von Bakterien und Zellen untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen