Antibakterielle Ausstattung von Implantatmaterialien mittels Atmosphärendruckplasmen
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- Adam Holtzer
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1 INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Wirtschaftsnahe Forschungseinrichtung Gründung 1994 Antibakterielle Ausstattung von Implantatmaterialien mittels Atmosphärendruckplasmen O. Beier, E. Jäger, L. Friedrich, S. Spange, A. Pfuch, J. Schmidt Grenz- und Oberflächentechnologie Biomaterialien Magnetische und optische Systeme Analytik
2 Gliederung der Präsentation Zielstellung Materialarten Methoden - Atmosphärendruckplasma-CVD (APCVD) - Mikroorganismen - Bakterizide Tests, Zytotoxtests Ergebnisse - Wirkstoffe Cu, Zn am Beispiel Medizinalstahl, Titan - Wirkstoffe Cu, Ag im Falle PCO modifizierter Titanoberflächen und Ausblick INNOVENT e.v. Folie 2
3 Zielstellung Herstellung antibakteriell wirkender, nicht zytotoxischer SiO x Dünnschichten auf ausgewählten Implantatmaterialien mittels APCVD-Plasmatechnik Wirkstoffe auf Basis von: Ag, Cu, Zn Untersuchungsschwerpunkte: Schichtanalytik Einfluss abrasiver Beanspruchung auf die bakterizide Wirkung Bakterizide Eigenschaften Zytotoxische Eigenschaften Einfluss unterschiedlicher Dosiermengen des Wirkstoffes, Auffinden der therapeutischen Breite INNOVENT e.v. Folie 3
4 Substratarten 1. Untersuchungsschwerpunkt (Cu, Zn) Medizinalstahl X2CrNiMo (Werkstoff-Nr: ) Titanlegierung TiAl6V4 (Werkstoff-Nr: ) Typische Anwendungen im Implantatbereich Knochenschrauben Hohe Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit, lasttragende Implantate Knochenplatten Knochenmark-Nägel Hüftgelenkendoprothesen Osteosynthese Knochenschienen und -schrauben Dentale Implantate INNOVENT e.v. Folie 4
5 Substratarten 2. Untersuchungsschwerpunkt (Cu, Ag) TiAl6V4 Oberflächenmodifiziert mittels Plasma chemischer Oxidation Ausbildung einer anodischen Konversionschicht auf dem Werkstück im basischen Elektrolyten, Behinderung des Ladungsträgeraustausches Ausbildung von Funkenentladungen und Durchschlägen Verfahren geeignet für Metalle / Legierungen die natürliche Oxidschicht an Luftsauerstoff bilden (z.b. Ti, Al, Mg) Zusätzliche Reaktionen an Phasengrenze Oxid / Elektrolyt INNOVENT e.v. Folie 5
6 Substratarten 2. Untersuchungsschwerpunkt (Cu, Ag) TiAl6V4 Oberflächenmodifiziert mittels Plasma chemischer Oxidation Bioaktive Oberfläche durch Einlagerung von CaP aus dem Elektrolyt in die aufwachsende TiO 2 Konversionsschicht XPS - Tiefenprofil Oberfläche Osteosyntheseplatte aus TiAl6V4, PCO beschichtet (Königsee Implantate GmbH) INNOVENT e.v. Folie 6
7 Atmosphärendruckplasma-CVD zur bakteriziden Funktionalisierung Verwendung von Freistrahlplasmen Abscheidung von Kompositschichten mit Einbau der Wirkstoff-Komponente in aufwachsende SiO x - Schichten Kenngrößen zur Plasmabeschichtung Leistung: 400 W 500 W Prozessgas: Druckluft Precursoren: - HMDSO - gelöste Metallsalze basierend auf Ag, Cu, Zn Substrattemperatur: RT INNOVENT e.v. Folie 7
8 Bakterizide und Zytotoxische Untersuchungen Substrate: Edelstahl, TiAl6V4 Untersuchung an nicht pathogenen Keimen Bakterizide Untersuchungen Escherichia coli getestete Bakterien Escherichia coli HB101 (-) Messmethoden ATP Assay (BacTiter-Glo TM assay) CFU Zytotoxizität Zellen Messmethoden MC3T3-E1 Präosteoblasten Life / Dead staining assay (Fluorescein diacetate / GelRed TM ) INNOVENT e.v. Folie 8
9 Schichtanalytik auf Edelstahl, Titan (Wirkstoffe Cu, Zn) XPS Elementverteilung am Beispiel von Zinkoxid INNOVENT e.v. Folie 9
10 Bakterizide Ergebnisse (BacTiter-Glo assay, E. coli) Substrat: Edelstahl, TiAl6V4 Zink Precursor Kupfer Precursor Beständigkeit der antibakteriellen Beschichtungen gegenüber abrasiver Beanspruchung? INNOVENT e.v. Folie 10
11 Bakterizide Ergebnisse nach abrasiver Beanspruchung Substrat: Edelstahl, TiAl6V4 Washability- Test 1000 Abrasionszyklen INNOVENT e.v. Folie 11
12 Zytotoxische Untersuchungen (Life / Dead staining assay) 1 Tag 3 Tage 7 Tage Referenz SiO x SiO x / Zn 100 µl/min SiO x / Cu 50 µl/min INNOVENT e.v. Folie 12
13 Mikroplatten-Lasernephelometrie Bakterizide und Zytotoxische Untersuchungen Substrat: TiAl6V4 biokompatibel funktionalisiert mittels PCO getestete Bakterien Staphylococcus aureus ATCC 6538 (+) Klebsiella pneumoniae ATCC 4352 (-) Pseudomonas aeruginosa DSM 1117 (-) Messmethoden Direkter Kontakt Direktbesiedelungsverfahren (ISO22196) Indirekter Kontakt Zellen HaCaT Keratinozyten MC3T3-E1 Präosteoblasten Messmethoden ATP-Assay (ATP Lite) BCA-Assay (LDH-Assay) Direktbesiedelungsverfahren (CellTiter-Blue Cell Viability Assay) Life / Dead staining assay (Fluorescein diacetate / GelRed TM ) INNOVENT e.v. Folie 13
14 Zielstellung Materialarten Methoden Ergebnisse Schichtanalytik am Beispiel des Silbers (SiOx / Ag Beschichtung) 20 µl/min 100 µl/min SiOx / Ag - Schicht Schichtdicke: rund 200nm homogene, geschlossene Schichtstrukturen Si-Wafer INNOVENT e.v. gleichmäßig eingelagerte Ag - Nanopartikel in der Schichtmatrix Folie 14
15 Bakterizide Ergebnisse (ISO 22196) S. aureus Staphylococcus aureus Signifikante bis starke bakterizide Wirkung nachweisbar für S. aureus, abhängig vom Wirkstoff und Dosis INNOVENT e.v. Folie 15
16 Bakterizide Ergebnisse (ISO 22196) K. pneumoniae Klebsiella pneumoniae Starke bakterizide Wirkung nachweisbar für K. pneumoniae, für alle getesteten Wirkstoffmengen INNOVENT e.v. Folie 16
17 Zytotoxizität (ATP Assay ATP Lite) HaCaT Keratinozyten Im Vergleich zur Glasreferenz stark verbessertes Wachstum der HaCaT-Keratinozyten am reinen TiAl6V4-CaP Substrat Zytotoxische Wirkung ab 80 µl/min Dosierrate beim Silber INNOVENT e.v. Folie 17
18 gute bis sehr gute bakterizide Wirkung gegenüber allen getesteten nicht pathogenen und pathogenen Keimen alle getesteten Substanzen Ag, Cu, Zn zeigen Wirkungen Zytotoxizitätsuntersuchungen zeigen für Cu und Zn keine Beeinträchtigungen hinsichtlich Verträglichkeit maximal eine Hemmung im Wachstum starke Zytotoxizität für Silber bei hohen Dosiermengen des Wirkstoffes therapeutische Fenster konnten für alle Wirkstoffe ermittelt werden Ausblick Testung der APCVD Schichten auf 3D Hautmodellen Zytoxizität? Wirkung auch gegenüber Biofilmen vorhanden? Sterilisierbarkeit der Oberflächen? INNOVENT e.v. Folie 18
19 Danksagung - Fördermittelgeber TAB (FKZ 2008 FE 9155) - Mitarbeitern der Klinik für Hautkrankheiten des Uni- Klinikums Jena (bakterizide, zytotoxische Tests) und natürlich: --- Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! INNOVENT e.v. Folie 19
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