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Orthobion GmbH erforscht Biomaterialien für Wirbelsäulen-Implantate

Die vermeintlich einfache Frage, wie Knochen wachsen, stellt sich bei näherer Betrachtung als längst nicht vollständig geklärt heraus. Die Konstanzer Orthobion GmbH erforscht und produziert Biomaterialien, die insbesondere für Implantate zur Behandlung der erkrankten Wirbelsäule verwendet werden. Oberflächenstrukturen und ihre spezifischen Auswirkungen auf das Anwachsverhalten von Knochen auf Implantatoberflächen stehen im Zentrum der Aufmerksamkeit bei der Herstellung biomimetischer Knochenersatz- und Implantatmaterialien.

Als Medizintechnikfirma, spezialisiert auf die Wirbelsäulenchirurgie, steht bei der Orthobion GmbH die Behandlung erkrankter Wirbelsäulensegmente im Fokus der Forschung. Wenn Beschwerden in Rücken oder Bein überwiegend durch degenerierte Bandscheiben oder durch ein Abgleiten der Wirbelsäule bedingt sind, kann das zu einer Kompression von Nervenwurzeln und damit zu erheblichen Schmerzen führen. In diesem Fall kann eine stabilisierende Operation helfen, bei der eine sogenannte lumbale Fusion – eine Spondylodese – erzeugt wird.

Eine Fehlstellung der Wirbelsäule kann Schmerzen verursachen

In einer Spondylodese werden jeweils Etagen zur Stabilisierung versteift, wobei unter Etagen hier die jeweiligen Bewegungssegmente aus einer Bandscheibe und den angrenzenden Wirbelkörpern verstanden werden. „Eine Fusion über eine Etage versteift zwei Wirbelkörper auf beiden Seiten der betroffenen Bandscheibe, während eine Zwei-Etagen-Fusion drei Wirbelkörper mit zwei Bandscheiben stabilisiert“, erklärt Frederik Müller, Geschäftsführer der Orthobion GmbH. Wird eine erkrankte Bandscheibe entfernt, so wird die Höhe zwischen den Wirbelkörpern mittels Implantaten wiederhergestellt. Das Ziel der Fusion ist die Ausbildung einer stabilen Knochenbrücke.

Behandlung mittels Stabilisierung durch Zwischenwirbelfusion

Die zur lumbalen Fusion notwendige Operation kann über mehrere Zugangswege zur Wirbelsäule durchgeführt werden; der Hautschnitt kann in der Bauchwand, der Flanke oder über den Rücken erfolgen. „Der Halswirbelbereich wird oft anterior, von vorne, operiert; andere Eingriffe werden posterior, vom Rücken her, vorgenommen.“ Meistens wird dabei eine zusätzliche Stabilisierung mit Schrauben erforderlich, die typischerweise in die Bogenwurzeln der Wirbelkörper eingeschraubt und anschließend mit einem Stab oder einer Platte verbunden werden.

Fixiersysteme zur Zwischenwirbelfusionierung

SSC Cage nach Oberflächenbehandlung © Orthobion GmbH

Eine solche Instrumentierung sorgt für eine sofortige Festigung, bis eine knöcherne Brücke später zur endgültigen Fusion führt. Zuweilen werden nach Entfernung einer erkrankten Bandscheibe in den Bandscheibenraum Körbchen – Cages – aus Titan oder medizinischem Kunststoff eingebracht, die sogenannte „interkorporelle Fusion“. Die Orthobion GmbH entwickelt, produziert und vertreibt Cages aus medizinischem Kunststoff für die unterschiedlichen Bereiche und Zugangswege sowie die erforderlichen Fixiersysteme, die ebenfalls aus Titan oder aber aus Carbon-Composite-Werkstoffen hergestellt werden.

Osseointegrative Oberflächeneigenschaften als Herausforderung

Der dauerhafte und stabile Halt von Implantaten ist von der Osseointegration (von lat. Os: Knochen), dem Heilungsprozess in den Knochen abhängig, in welchem Knochenzellen an das Implantat heran- und an die Implantatsoberfläche anwachsen. „Neben Voraussetzungen wie der Eigenschaft des Knochens sowie der Konstruktion des Implantats ist die Osseointegration wesentlich abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des im Implantat verwendeten medizinischen Materials.“ Die komplexen dynamischen Vorgänge, die an der Grenzfläche zwischen dem anorganischen Implantat und dem lebenden Gewebe stattfinden und letztlich zur Knochenneubildung führen, sind dabei wesentlich und werden seit langem intensiv diskutiert.

Die grundlegenden Fragen der Kristallographie, Thermodynamik und Phasenbeziehungen mögen in der Chemie erforscht sein. Geht es aber um die biologische Bildung von Calciumphosphaten im Knochenwachstum, so kommen Aspekte wie Kristallisationsgeschwindigkeit, Kontrolle der Kristallmorphologie und solche des Einbaus von Biomolekülen ins Spiel, die bis heute längst nicht vollständig verstanden würden, betont Frederik Müller. Angestrebtes Ziel in der Arbeit von Orthobion ist deshalb auch ein besseres Verständnis von Struktur und Bildung von Biomineralen, das am Ende zu verbesserten Biomaterialien für die Behandlung von Knochen-, vielleicht auch von Zahnerkrankungen führt.

Biomimetik und Biokompatibilität

Der Terminus Biokompatibilität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, im lebenden Organismus eine Funktion zu erfüllen und auf zellulärer wie molekularer Ebene erwünschte Reaktionen auszulösen, während die Biomimetik Formen und Strukturen aus der Natur für technische Anwendungen zu nutzen versucht. Im Zusammenhang mit der Implantatherstellung kann dabei die Topographie einer Oberfläche eine ebenso wichtige Rolle spielen wie ihre chemische Zusammensetzung oder Beschaffenheit.

So ist bei Röntgenuntersuchungen nach einer Spondylodese die Transparenz der verwendeten Implantatmaterialien erwünscht; herkömmliche Metallimplantate erzeugen in Untersuchungen störende Artefakte. „Bei den medizinisch verwendeten Kunststoffen spielt daher Polyetheretherketon – PEEK – eine wichtige Rolle: Es ermöglicht aufgrund seiner Röntgentransparenz die Entwicklung von Implantaten, die bei der Anwendung bildgebender Verfahren keine störenden Artefakte erzeugen.“

Eines der wichtigsten Biomineralien ist das Calciumphosphat: „Diese Stoffklasse kommt als carbonathaltiger Hydroxylapatit (HAp) in Hartgeweben wie in Zähnen, Knochen und Sehnen vor und verleiht diesen Stabilität und Härte.“ Um einen künstlich hergestellten, knochenähnlichen Composite-Werkstoff zu erhalten, werden in den Laboranwendungen von Orthobion unterschiedliche Materialien in zahlreichen mechanischen und chemischen Verfahren kombiniert.

Oberflächentopographie nach mechanischer Bearbeitung: Texturvorbereitung und Oberflächenvermessung für die anschließende „chemische“ Oberflächenbeschichtung. © Orthobion GmbH

Rauheit und Oberflächentextur: Biomimetik im Dienste des Knochenwachstums

Wesentlichen Einfluss auf die Effektivität eines Implantats hat neben den verwendeten Werkstoffen die Oberflächenbeschaffenheit: Die ‚Rauheit‘ und Form – im Bereich zwischen Milli- und Nanometern – einer Oberfläche können das gewünschte Anwachsen von Knochenzellen erheblich beeinflussen; die Topographie einer Oberfläche wird dabei als ihre Form sowie die als Textur zusammengefasste Gewelltheit und Rauheit definiert. So rückt die Erzeugung von gewünschten Oberflächenbeschaffenheiten auf modernen Biomaterialien ins Zentrum der Bestrebungen.

Zur Erzeugung dünner und dicker HAp-Schichten können sehr unterschiedliche Verfahren angewendet werden: Unter anderem durch Ionenstrahlverfahren, Sputtern, biomimetische Abscheidung aus Lösungen, Elektrophorese, Tauchbeschichtung aus Suspensionen, hydrothermale Verfahren und Sol-Gel-Synthese. Ebenso experimentiert wird mit Pulversintern, adhäsivem Anhaften von Pulvern an Implantatoberflächen, aber auch mit Plasmaspritzverfahren. „In Laboranwendungen unseres Unternehmens werden hierzu unterschiedliche Materialien sowie mechanische, aber auch chemische Verfahren miteinander kombiniert, um einen knochenähnlichen Composite-Werkstoff zu erhalten, der dann von der Prototypenfertigung zur Serienreife übergeht“, erläutert Müller.

Die vielfältigen Forschungsinteressen und Aufgaben bei der Entwicklung biomimetischer Werkstoffe machen ein vernetzt-kooperatives Vorgehen unabdingbar: So kooperiert Orthobion zum Beispiel mit der Zwisler Laboratorium GmbH, die auf zuvor bearbeiteten Oberflächen Zellwachstumsuntersuchungen vornimmt. Die Zelluntersuchungen bei der Zwisler Laboratorium GmbH zeigten, dass sowohl das Implantatmaterial als auch die Topographie der Implantatoberfläche oder deren Veredelung maßgeblich das Zellwachstum und die Vitalität der einzelnen Zellen beeinflussen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind bereits für eine Publikation vorgesehen.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/orthobion-gmbh-erforscht-biomaterialien-fuer-wirbelsaeulen-implantate/