BIOMATERIALIEN. Forum medtech Pharma ThemeNFoKuS

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1 und Zahnersatz sind die Hauptanwendungsgebiete von Biomaterialien. Eine wichtige Rolle spielen Biomaterialien aber auch im relativ neuen Feld des Tissue Engineerings. Genau genommen gehören aber auch Knochenzement, Pflaster, chirurgisches Nahtmaterial, Kontaktlinsen, Zahnfüllungen, künstliche Herzklappen, Schrittmacher und Oberflächenbeschichtungen dazu. Als Stoffklassen kommen Metalle, vor allem Edelmetalle wie Titan, Edelstahl, Keramiken, Kunststoffe, wie Polyester, und Naturstoffe, wie Collagen oder Chitinderivate, in Frage. Was ist Bio an Materialien? Biomaterialien sind die Schnittstellen zwischen lebenden und unbelebten Stoffen, zwischen Medizin und Werkstoffwissenschaften. Mediziner und Forscher aus Fachgebieten wie der Orthopädie, Unfallchirurgie, Mund- Kiefer und Gesichts-Chirurgie, Implantologie, Biowerkstoffforschung, Materialwissenschaften, Grenz- und Oberflächenforschung sowie Phar- Forum medtech Pharma ThemeNFoKuS BIOMATERIALIEN makologie wirken interdisziplinär zusammen, um optimale Anwendungen, Beschaffenheit, Design und Verträglichkeit zu erreichen. Die Stoffe müssen einerseits biokompatibel sein, um biologische Systeme nicht zu schädigen und sollen im Körper verträglich sein, um nicht abgestoßen zu werden. Andererseits müssen sie aber auch biostabil sein, dürfen im biologischen Milieu also nicht abgebaut werden. Metalle dürfen nicht korrodieren, Polymere nicht spröde werden. Allerdings sind die Anforderungen je nach Zweck unterschiedlich. So sind Implantate in der Regel auf permanente Haltbarkeit ausgelegt, Nahtmaterial dagegen muss resorbierbar sein. Biomaterialien, die lange im Körper bleiben, müssen strengen Anforderungen entsprechen. Zusammengefasst gehören dazu die technische Funktionsfähigkeit, Biostabilität, Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit. Warum ist der Biofilm problematisch? Wie eng sich Biomaterialien mit lebenden Zellen verbinden, zeigt sich auch in dem unerwünschten Phänomen des Biofilms, dessen Bekämpfung oder Vermeidung das Thema

2 ThemenFokus das informative Medium Das Forum MedTech Pharma gibt ein neues informatives Medium heraus, das sich auf das Wesentliche konzentriert: den ThemenFokus. Fachliches ist uns darin genauso wichtig wie Trends aus der Branche. Wir begreifen den ThemenFokus aber auch als Kooperationsplattform sowohl innerhalb des Netzwerks, aber auch mit Wirkung nach außen. So verknüpfen wir fachlich ausgewählte Mitglieder mit dem jeweiligen Thema und präsentieren sie als Ansprechpartner. Die bisherigen Ausgaben des Themen- Fokus finden Sie unter: Nach den ersten beiden Ausgaben zu Krankenhausmanagement und IT sowie Medizinische Bildgebung wird der ThemenFokus mit Biomaterialien zur Serie. Als weiteres hochaktuelles Thema aus dem vielfältigen Gebiet Medizin Medizintechnik Pharma Gesundheit stehen Biomaterialien im Fokus des Grenzbereichs zwischen lebendem Gewebe und nichtlebenden biokompatiblen Stoffen. Biomaterialien kommen unter anderem als Knochen-, Gelenk- und Zahnimplantate oder als Oberflächenbeschichtungen mit biokompatiblen oder antiinfektiösen Eigenschaften, aber auch beim Tissue-Engineering in der Regenerativen Medizin zum Einsatz. Im Rahmen von Fachtagungen befassen wir uns immer wieder mit diesem Thema, so zum Beispiel bei der Tagung Biomaterialien für die Regenerative Medizin in Würzburg oder dem Fachforum Implantate in Bayreuth. Wir wünschen uns, dass wir mit dem ThemenFokus dazu beitragen können, Innovationen voranzubringen und Kooperationskontakte anzustoßen. Natürlich freuen wir uns, wenn Sie das Heft an andere Interessierte weitergeben! Ihr Team des Forum MedTech Pharma Forum MedTech Pharma THEMENFOKUS S. 2

3 Biomaterialien: Unbelebte Stoffe ersetzen lebendes Gewebe wie Knochen, Gelenke und Organe Biomaterialien helfen, Schmerzen zu beseitigen, indem sie geschädigte Körpergewebe ersetzen Implantate als Knochen-, Gelenk-, Organ-, Gewebe- und Zahnersatz sind die Hauptanwendungsgebiete von Biomaterialien. Eine wichtige Rolle spielen Biomaterialien aber auch im relativ neuen Feld des Tissue Engineerings. Genau genommen gehören aber auch Knochenzement, Pflaster, chirurgisches Nahtmaterial, Kontaktlinsen, Zahnfüllungen, künstliche Herzklappen, Schrittmacher und Oberflächenbeschichtungen dazu. Als Stoffklassen kommen Metalle, vor allem Edelmetalle (Titan, Edelstahl) sowie Keramiken, aber auch Kunststoffe (Polyester) und Naturstoffe (Collagen oder Chitinderivate) in Frage. Was ist Bio an Materialien? Biomaterialien sind die Schnittstellen zwischen lebenden und unbelebten Stoffen zwischen Medizin und Werkstoffwissenschaften. Forum MedTech Pharma THEMENFOKUS S. 3

4 Künstliche Hüft- und Kniegelenke sind die gängigsten Implantate Mediziner und Forscher aus Fachgebieten wie der Orthopädie, Unfallchirurgie, Mund-, Kiefer- und Gesichts-Chirurgie, Implantologie, Biowerkstoffforschung, Materialwissenschaften, Grenz- und Oberflächenforschung sowie Pharmakologie wirken interdisziplinär zusammen, um optimale Anwendungen, Beschaffenheit, Design und Verträglichkeit zu erreichen. Je nach Zweck müssen sie biostabil oder resorbierbar sein. Biostabile Materialien, zum Beispiel für Gelenkimplantate, dürfen im biologischen Milieu also nicht abgebaut werden. Metalle dürfen nicht korrodieren, Polymere nicht spröde werden, sie sind in der Regel auf permanente Haltbarkeit ausgelegt. Nahtmaterial dagegen muss resorbierbar sein. Inzwischen werden auch resorbierbare Stents aus Polymeren oder Magnesium getestet. Biomaterialien, die lange im Körper bleiben, müssen strengen Anforderungen entsprechen. Zusammengefasst gehören dazu die technische Funktionsfähigkeit, Biostabilität, Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit. Warum ist der Biofilm problematisch? Wie eng sich Biomaterialien mit lebenden Zellen verbinden, zeigt sich auch in dem unerwünschten Phänomen des Biofilms, dessen Bekämpfung oder Vermeidung das Thema Biomaterialien immer begleitet. Das Risiko, dass Bakterien auf Gelenkendoprothesen, aber auch Kathetern, Gefäßprothesen und Zahnimplantaten einen hartnäckigen Film bilden, ist nicht zu unterschätzen. In diesem Verbund sind die Keime weitgehend resistent gegen Antibiotika: Die geringste gerade noch wirksame Wirkstoffkonzentration ist bei Biofilmen etwa 1.000fach höher als bei frei lebenden Bakterien. Um Biofilme zu vermeiden, hat Hygiene absoluten Vorrang. Denn 85 Prozent der Infektionen ereignen sich intra- oder postoperativ, nur ein kleiner Teil der Keime stammt aus dem Körperinneren. Doch auch antibakterielle Beschichtungen, zum Beispiel Antibiotika oder Nano-Silber, oder das Versetzen des Knochenzements der Implantate mit Antibiotika reduzieren das Infektionsrisiko. Warum spielen Oberflächentechnologien eine wichtige Rolle? Gott erschuf die Festkörper, aber der Teufel die Oberflächen, wird ein Physiker zitiert, sie haben ganz spezielle Eigenschaften. Die Haut eines Materials ist Umgebungseinflüssen wie Temperatur oder Feuchtigkeit direkt ausgesetzt, die Moleküle des Materials Forum MedTech Pharma THEMENFOKUS S. 4

5 reagieren mit den Gasen der Luft oder sind resistent. Biofunktionale Oberflächen sind ein ganz spezieller Fall. Die oberste Schicht eines Materials, Instruments oder Geräts ist in aktiver Wechselwirkung mit ihrer biologischen Umgebung. Sie filtert ganz bestimmte Moleküle heraus, empfängt Signale oder stimuliert eine Reaktion. Biofunktionalität ist also weit mehr als bloße Verträglichkeit die Oberfläche kommuniziert!, begeistert sich ein Forscher. Auf der Oberfläche von Polymeren beispielsweise können Enzyme, Antikörper, Krebstherapeutika, Antibiotika ihre Wirkung entfalten. Aber auch biosensorische Zellchips, DNA- Chips, antithrombogene Oberflächen sowie bestimmte Diagnostikeinsätze sind Anwendungsmöglichkeiten dieser Biofunktionalität. Wo werden Biomaterialien verwendet? Biomaterialien kommen hauptsächlich bei der Herstellung von Implantaten zum Einsatz, wie zum Beispiel bei Herzunterstützungssystemen. Die gängigsten Implantate sind aber Hüft- und Kniegelenke, meist aus Keramik. Der Schaft ist oft aus Titan, einem leichten, dehnbaren, korrosions- und temperaturbeständigem Metall, das gut verträglich, also biokompatibel ist. Inzwischen sind die Implantate als modulare Revisionsprothesen auch in Abschnitten austauschbar. Bei Kunstherzen ist die Biokompatibilität der Werkstoffe überlebenswichtig Forscher stellen fest, dass durch den demoskopischen Wandel und ein verändertes Freizeitverhalten der Bedarf an Knochenersatz steigt. Bisher schon übliche patienteneigene Knochentransplantate und zunehmend künstliche Materialien auf Basis von Calciumphosphaten helfen den Patienten, ihre Beweglichkeit und damit ihre Lebensqualität wieder zu gewinnen. Ein ganz spezielles Verfahren, Implantate herzustellen, ist das Tissue Engineering. Dabei werden nicht nur in speziellen Kulturen Zellen für zweidimensionale Gewebeschichten vermehrt, sondern auch dreidimensionale Gewebestrukturen in Trägermaterialien gezüchtet. In diesen Scaffolds wachsen zum Beispiel ganze Speiseröhrenabschnitte heran. Eine der größten Herausforderungen dabei ist die Versorgung der neuen Gewebe mit Blutgefäßen, die Vaskularisierung. In der Zahnmedizin dienen Implantate als Halterung für künstliche Zähne. Die schraubenförmigen Einsätze sind ebenfalls meist aus Titan und wachsen sehr fest in den Kieferknochen ein. Forum MedTech Pharma THEMENFOKUS S. 5

6 Trends und Märkte und je älter wir werden. Die Ansprüche an Implantate und Knochenersatz steigen, künftige innovative Ersatzmaterialien für Körperteile und Organe müssen immer flexibler und haltbarer sein. Ziel ist, sich den natürlichen Eigenschaften im lebenden Organismus immer mehr anzunähern. Schlecht heilende Wunden, defekte Knorpel: Mithilfe des Tissue Engineering sollen funktionsgestörte Zellen, Gewebe und Organe wiederhergestellt werden Die Biomaterialien der Zukunft: biokompatibel, flexibel, haltbar, naturnah Verschlissene Gelenke, spröde Knochen, verbrauchte Zähne, verletzte Organe: Der Bedarf an Biomaterialien wächst stark, je perfekter wir in unserem Alltag funktionieren müssen Bei den Bioinspired Hybrid Materials erforschen Wissenschaftler, wie sich Bauweisen der Natur beim Design von Hybridmaterialien anwenden lassen. Aber auch Materialien sind gefragt, die dem menschlichen Körper helfen, geschädigte Bereiche zum Beispiel durch Biomineralisation selbst zu heilen. Dünne Schichten haben Zukunft Die Suche nach der Ursache der EHEC-Infektionen verlief fieberhaft, die Quelle scheint gefunden. Dennoch war ein Hauptweg der Ausbreitung der gesundheitsgefährdenden Darmkeime die Ansteckung von Mensch zu Mensch. Die Ursache für diese Schmierinfektionen ist mangelnde Hygiene. Antibakteriell beschichtete Oberflächen könnten eine Lösung sein, zumal die Wirkung von Antibiotika in vielen Fällen ausgereizt ist und sich verbreitet Resistenzen entwickelt haben. Bekannte Alternativen sind Nanobiomaterialien, wie Nanosilber, mit denen Katheter, OP-Geräte, Sterilverpackungen oder auch Prothesen beschichtet werden. Die Vorteile der Nanopartikel liegen ihrer Winzigkeit: Die Oberfläche der kleinen Partikel ist gegenüber großen Körpern riesig. So kann kontinuierlich Silber freigesetzt und das Wachstum der Mikroorganismen gehemmt werden. Wie die Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Größe auf körpereigenen Zellen wirken, wird verstärkt erforscht. Forum MedTech Pharma THEMENFOKUS S. 6

7 Eine weitere vielversprechende Technologie ist die PVD-Beschichtung (physical vapour deposition) mit der dünne funktionelle Schichten durch Verdampfung auf Glas, Metall oder Kunststoffe aufgetragen werden. Für die Medizintechnik und in den Life Sciences sind hauchfeine Beschichtungen mit antibakteriellen oder fungiziden Eigenschaften von Bedeutung. Sie wirken als Barriereschichten oder bewirken eine verbesserte Osteogenese, beispielsweise bei Titan-Implantaten. Viele aussichtsreiche Perspektiven Beim Tissue Engineering geht der Trend weiter in Richtung dreidimensionale Gewebestrukturen und dafür geeignete Gewebe, den Scaffolds, zum Beispiel aus Titan-Kompositen. Aber auch bioresorbierbare bioaktive Knochen- Scaffolds werden entwickelt. Weitere Ausblicke gibt es in Richtung Biopolymere, die auch wegen der knapper werdenden Erdölvorräte an Bedeutung gewinnen. Sie lassen sich aus organischen Verbindungen, wie Stärke oder Saccharose, herstellen, die sehr gut modifizierbar sind. Ein Trend ist die Entwicklung von gehärteten Polymeren und deren Kompositen. Auch wenn sie noch nicht so gut zu verarbeiten und thermisch nicht so stabil sind wie technische Polymere, sind sie hoch biokompatibel und biologisch sehr gut abbaubar. Neue Entwicklungen sind harte Biopolymere zum Beispiel für Skalpellklingen oder Nägel. Skalpellklingen und Nägel aus Chitosan- Zinkacetat (li.) und Celluloseacetat-Zinkacetat (re.) Eine weitere Forschungsrichtung befasst sich mit Biointerfaces, den Schnittstellen oder Grenzflächen zwischen Zellen, biologischem Gewebe und weiteren Materialien. Dabei sind vor allem die Wechselwirkungen im Fokus, wie die physiologische Korrosion, das Abbauverhalten von Biomaterialien, die dem Stoffwechsel lebender Gewebe ausgesetzt sind. Um die langwierige Beobachtung von Veränderungsprozessen an Biomaterialien in vivo abzukürzen, simuliert die Computer-Biomaterialwissenschaft modellhaft zum Beispiel das biologische Abbauverhalten von Nanopartikeln. Forum MedTech Pharma THEMENFOKUS S. 7

8 Netzwerkpartner aus der Branche ein kostenloser service für unsere mitglieder AIT Austrian Institute of Technology Biomedical Systems Altran GmbH & Co. KG AME Institut für Angewandte Medizintechnik/AG Helmholtz-Institut der RWTH Aachen AxynTeC Dünnschichttechnik GmbH Bio-Gate AG BIOTRONIK SE & Co. KG BMP Labor für medizinische Materialprüfung GmbH Boston Scientific Catgut GmbH Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v., Robotik und Mechatronik Zentrum DUALIS MedTech GmbH EMPA Estoppey-Reber AG Innosurf eucatech AG fluoron GmbH Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC Gaudlitz GmbH Heraeus Medical GmbH Innovacell Biotechnologie AG INNOVENT e.v. Technologieentwicklung Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie des Klinikums rechts der Isar Laser Zentrum Hannover e.v. Lehrstuhl für Mikro- und Medizingerätetechnik TU München Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie der Universität Regensburg pharmazeutische-technologie/index.html LEUKOCARE AG NAWA Heilmittel GmbH Oechsler AG Peter Brehm GmbH Chirurgie-Mechanik pfm medical titanium gmbh Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie index.php Polymaterials AG Ras materials GmbH RAUMEDIC AG RESORBA Wundversorgung GmbH & Co. KG Retina Implant AG Technische Universität München, Lehrstuhl für Medizintechnik Universität Bayreuth, Friedrich-Baur- Forschungsinstitut für Biomaterialien Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl Biomaterialien am Department Werkstoffwissenschaften Universitätsklinikum Regensburg, Abt. für Unfallchirurgie Universität Würzburg, Lehrstuhl Tissue Engineering und Regenerative Medizin forschung/experimentelle_forschung/ lehrstuhl_fuer_regenerative_medizin Zentrum für Werkstoffanalytik Über das Forum MedTech Pharma Das Forum ist deutschland- und europaweit eines der größten Netzwerke der Gesundheitsbranche und wurde 1998 von der Bayerischen Staatsregierung ins Leben gerufen. Für über 600 Mitglieder fördert es bereits Kooperationen, vermittelt Kontakte und informiert über neueste Trends und Themen auf Symposien, Kongressen und Weiterbildungsveranstaltungen. Die Mitglieder aus allen Bereichen der Medizin kommen aus 14 Ländern. Impressum Forum MedTech Pharma e.v. Geschäftsstelle: Bayern Innovativ GmbH Gewerbemuseumsplatz Nürnberg Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Ansprechpartnerin: Andrea Gerber gerber@medtech-pharma.de Vorsitzender des Vorstands: Prof. Dr. Michael Nerlich Sitz des Vereins: Nürnberg, VR 3142 Bildnachweis: bvmed Bilderpool (S. 3 u. 4), DUALIS MedTech GmbH (S. 5), Fraunhofer IGB (S. 6), Fraunhofer IFAM (S. 7)