Ziel der Entwicklung
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung innovativer Implantate aus dem synthetischen Hochleistungswerkstoff Polyetheretherketon (PEEK) sowie aus Titanlegierungen. Implantatassoziierte Komplikationen resultieren primär aus einer unzureichenden Osseointegration des umgebenden Knochengewebes oder aus Infektionen infolge bakterieller Kontamination der Implantatoberfläche. Ein ideales Implantat unterdrückt die bakterielle Adhäsion insbesondere in der initialen kritischen Phase, bis eine vollständige Besiedlung der Oberfläche durch Osteoblasten erfolgt ist. Dieser Prozess kann durch gezielte Oberflächenmodifikationen beschleunigt werden.
Die gleichzeitige Realisierung antibakterieller und zelladhäsionsfördernder Eigenschaften auf einer Oberfläche wird durch die Kombination einer Mikro- und Submikrometerstrukturierung mittels Ultrakurzpulslaser mit weiteren mechanischen und chemischen Oberflächenbehandlungen sowie funktionalen Beschichtungen mit modifizierten Biopolymeren von PEEK- und Titanoberflächen erreicht. Für beide Werkstoffe wird eine Reduktion der bakteriellen Belastung sowie eine signifikant verbesserte initiale Zelladhäsion im Vergleich zu unbehandelten Implantaten angestrebt.
Vorteile und Lösungen
Die Vorteile des Ansatzes liegen in der kombinierten chemischen und physikalischen Modifikation derselben Oberfläche und stellen eine klare Abgrenzung zu bestehenden Strategien der Implantatoberflächenmodifizierung dar. Der innovative Mehrwert besteht in einem kurzfristigen antibakteriellen Schutz durch eine teilweise abbaubare chemische Beschichtung sowie in einer langfristigen Wirkung durch gezielt strukturierte Oberflächen, die sowohl antibakterielle Effekte als auch eine verbesserte Zelladhäsion fördern. Hierzu werden neuartige Verfahren zur Applikation der Haftvermittlerschicht eingesetzt. Der Fokus lag einerseits auf der Ermittlung attraktiver Strukturen für die Zellbesiedlung und andererseits auf der Vermeidung einer Bakterienansiedlung. Dafür wurden zahlreiche Strukturen auf Titan-/PEEK-Oberflächen mittels Laser aufgebracht. Durch eine biologisch-experimentelle Bewertung der Zell- und bakteriellen Besiedlung von lasertopographisch-veränderten Titan-/PEEK-Oberflächen konnten jeweils eine zielführende Struktur für Titan und PEEK aus einer Vielzahl von Strukturvarianten für eine verbesserte Zellbesiedelung und auch zu der gewünschten Bakterienreduktion identifiziert werden.
Im Vorfeld erfolgte eine Oberflächenanpassung der Titanronden, um die Rauheit mit den PEEK-Ronden vergleichen zu können. Vergleichend zur Laserstrukturierung wurden mikroskalige Rauheitsstrukturen auf den PEEK-Oberflächen mittels physikalisch -chemischer Methoden erzeugt.
Die Standardprozedur der Beschichtungen beinhaltet SiOx-LDI-Biopolymerschicht. Des Weiteren wurden neue Haftvermittler basierend auf aminogruppenhaltigen Phosphonaten synthetisiert. Im Ergebnis liegen mehrere modifizierte Biopolymere vor, darunter fünf vielversprechende Beschichtungen auf Basis von Dextran, Galaktarsäure, Chitosan und Alginat, teilweise mit quaternären Ammoniumgruppen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass im Rahmen des durchgeführten Projekts ein synergistischer Zusammenhang zwischen Oberflächenstrukturierung und Beschichtung im Hinblick auf eine verbesserte Zelladhäsion bei gleichzeitiger Reduktion der bakteriellen Besiedlung nachgewiesen werden konnte. Besonders geeignet erwies sich die Beschichtung strukturierter PEEK- und Titan-Probekörper mit quaternären Ammoniumsalzen des Chitosans und des Aminodextrans. Im Vergleich zu den anderen untersuchten Beschichtungen wurden mit dem Chitosanderivat auf PEEK sowohl die höchste Anzahl an Zellkernen detektiert als auch die stärkste antibakterielle Aktivität beobachtet.
Die Ermittlung geeigneter Strukturen für eine Zellbesiedlung und einer Bakterieninhibition wurden mithilfe einer MC3T3-E1-Zellsuspension und dem gramnegativen Modellkeim E.coli durchgeführt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die potenziellen Anwendungsfelder für antibakterielle Beschichtungen überstreichen nahezu alle Bereiche unseres Lebens. Die im Vorhaben dargestellte Entwicklung einer neuartigen antimikrobiellen Beschichtung soll zunächst verstärkt im Bereich Medizintechnik & Implantate Anwendung finden. Des Weiteren können Krankenhaus- und Hygienebereiche, Sanitär- und Alltagsprodukte sowie die Lebensmittel- und Verpackungsindustrie definiert werden. Für die zelladhäsiven Beschichtungen gelten Applikationsmöglichkeiten in den Themenfeldern Tissue Engineering & Regenerative Medizin, Implantate mit Gewebeintegration, Zellkultur & Forschung und ferner für die Biosensorik & Diagnostik.
Mit den durchgeführten Untersuchungen sind fundierte Grundlagen für die Weiterentwicklung antibakterieller und zelladhäsionsfördernde Oberflächenmodifikationen gesetzt worden. Bereits im Projektverlauf lagen Interessenbekundungen von Firmen vor, die Interesse an Ergebnissen aus dem Projekt geäußert haben und mit den Beschichtungen ihr eigenes Portfolio weiterentwickeln wollen. Für diesen Wissenstransfer bietet INNOVENT den Unternehmen eine enge Zusammenarbeit an. Diese erstreckt sich von - über den Projektrahmen hinaus - weiterführenden Arbeiten für die antibakterielle Testung, die Optimierung der Beschichtung bis hin zum Markteintritt. Im Rahmen der Produktüberführung können dazu Musterproben für weitere Anwendungsgebiete hergestellt werden. Außerdem vermag INNOVENT, die Firmen mit relevanten Tests bei der Erstellung von Produkt- und Sicherheitsdatenblättern zu unterstützen. Somit begleitet INNOVENT die Unternehmen unter anderem durch die Festlegung von wichtigen Produktspezifikationen und notwendigen Prüfverfahren bei der weiteren Entwicklung bis hin zur Markteinführung der Produkte.
Der wirtschaftliche Effekt aus dem Vorhaben ergibt sich für INNOVENT aus der Einnahme von Lizenzgebühren und der Einwerbung von industriellen Forschungsaufträgen auf Grundlage der durch die Bearbeitung dieses Projektes erzielten Ergebnisse. Hier sind bspw. sowohl Forschungsaufträge interessierter Unternehmen eingeschlossen, die sich aus der Weiterentwicklung der vorhandenen Beschichtungen bis zur Marktreife nach Abschluss des Vorhabens ergeben, als auch Aufträge, die auf der Grundlage des im Projekt erworbenen Know-hows eingeworben werden können. Zusätzlich dient es zur Sicherung von Arbeitsplätzen.
