Neue Knochenimplantate aus der Hochleistungskeramik Siliziumnitrid
In dem vom BMBF (Fkz. 13GW0080F) geförderten Projekt wird erforscht, ob sich neue, besonders additivarme Qualitäten der Hochleistungskeramik Siliziumnitrid zu Herstellung verbesserter Rückenimplantate (Spinal-Cages) sowie prinzipiell als Knochenimplantat eignen. Das Projekt im Programm „KMU-Innovativ III“ hat am 01.07.2016 begonnen und läuft bis zum 31.12.2018. Das Konsortium besteht aus den Firmen FCT Industriekeramik GmbH, Rauenstein (Hauptantragsteller, https://www.fcti.de/de/index.php), Orthobion GmbH, Konstanz (http://www.orthobion.com/index.html), Endolab Mechanical Engineering GmbH, Rosenheim (http://www.orthobion.com/index.html) sowie dem Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg (https://www.iwm.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder/tribologie/verschleisschutz-technische-keramik.html) und der Universität Bayreuth (http://www.uni-bayreuth.de), die ihrerseits die Arbeiten an das BioMed Center Innovation gGmbH weiterleitet. Das Akronym steht für Medizinische Anwendung von Silizium-Nitrid-Keramiken – Implantate.
Siliziumnitrid, eine Weltraumkeramik für Knochenimplantate
Siliziumnitrid ist ein hochfester Werkstoff, der in vielen anspruchsvollen Anwendungen vom Auto bis zur Weltraumtechnik eingesetzt wird. Sie ermöglicht die Herstellung äußerst stabiler Implantate und sogar die Realisierung federnder Keramikbauteile. Die günstige Wirkung bestimmter SiN Oberflächen, auf denen sich charakteristische Kristalle bilden, auf die Bildung von Knochen war bereits bekannt. Auch von einer antibakteriellen Wirkung wurde berichtet. In diesem Projekt entwickelt FCT Keramik neue Qualitäten hochreiner Siliziumnitrid-Keramiken und stellt gezielt über innovative Fertigungsverfahren optimale Oberflächen ein. Orthobion designed für diese Keramiken Spinal Cages, die durch Fraunhofer IWM nach FEM-Simulation mechanisch optimiert und durch Endolab getestet werden.
Das BioMed Center übernimmt die Prüfung der Biokompatibilität, die in vitro Testung der Osteokonduktivität, die Wirkung auf Bakterien durch einen optimierten Adhäsionsassay sowie die Entwicklung eines völlig neuen Testsystems, dem Bone-Contact-Assay.
Mit biologischer Testung neue Materialien entwickeln
Im Projekt wurden zunächst Versuche zur Biokompatibilität und Matrixbildung durchgeführt. Die ersten Testergebnisse zeigten bereits deutlich, welche Rolle die Oberfläche spielt (siehe Balkengrafik), die gesägten und geschliffenen Proben hatten nur eine geringe Zelladhäsion. Interessant war ein negativer Einfluss eines chemisch völlig neutralen Trennmittels, das nur in Resten auf der „Boden“ Seite vorhanden war. Die Wirkung auf Zellen konnte in separaten Versuchen bestätigt werden. Dieser interessante Aspekt muss noch genauer untersucht werden.
m nächsten Projektabschnitt wurden durch FCT im für SiN innovativen Spritzgussverfahren Proben hergestellt, die eine optimale Zelladhäsion förderten. Nachweisen lies sich die Bedeutung der Oberfläche durch verschiedene Behandlungen: während Schleifen noch relativ raue Flächen hinterließ, die Zellen auch behagten, war die Adhäsion auf sandgestrahlten oder gar polierten Oberflächen deutlich herabgesetzt. Die für Medizinprodukte notwendige Gamma-Sterilisation hatte keinen negativen Einfluss auf die Zellaktivität.
Zellaktivität auf verschiedenen gesägten und geschliffenen SiN-Oberflächen; WST und Resazurin sind zwei durch aktive Zellen unterschiedlich umgesetzte Indikatorsubstanzen
Zellaktivität (s.o.) auf dem neuen, hochreinen SiN-Material, über Spritzguss verarbeitet und auf verschiedene Weise oberflächenbehandelt
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