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Infektionsrisiko bei Implantaten mindern

(20.11.2019) Künstliche Bauteile wie Hüftgelenke sind ein Segen der modernen Medizin für viele geplagte Patienten. Manchmal aber müssen Ärzte die Implantate wieder aus dem Körper ihrer Patienten herausoperieren, weil Bakterien auf den Oberflächen der medizinischen Ersatzteile zu Entzündungen führen und die Gesundheit angreifen. Bochumer Metallforscher können dies zukünftig mit Hilfe von Nanostrukturen vermeiden.
 

350.000 Menschen unterziehen sich bundesweit pro Jahr solchen Eingriffen, berichtet das Wissenschaftsportal Ingenieur.de. Hintergrund ist auch eine zunehmend alternde Bevölkerung.
 

Leider können die Mediziner in den Kliniken nicht vermeiden, dass sich bei 2 bis 5 Prozent solcher – meist Knie- oder Hüft-OPs – Bakterien einschleichen und Komplikationen nach dem Eingriff verursachen. „Das neue Gelenk muss wieder entfernt werden und Antibiotika-Gaben folgen“, schreibt das Portal. Denn Biofilme auf Implantaten schützen Keime vor Arzneistoffen.
 

Lösung entdeckten Forscher auf Zikaden-Flügeln

An der Ruhr-Universität Bochum (RUB) fanden Wissenschaftler jetzt eine Lösung, um diese Gefahr zu mindern. Sie beschichten Oberflächen mit metallischen Nanostrukturen. Das haben sie der Natur abgeschaut.
 

Nanostrukturen im Elektronenmikroskop     Foto: RUB

„Wir müssen schon die Anheftung der Keime an das Implantat verhindern und wollten das nur durch eine Oberflächenmodifikation ohne Antibiotikaeinsatz erreichen“, sagt Manfred Köller. Er leitet an der RUB die Abteilung Chirurgische Forschung am Klinikum Bergmannsheil.
 

Köller recherchierte und las, dass Forscher schon 2012 erkannt haben, dass Oberflächenstrukturen die Flügel bestimmter Zikaden über chemische Moleküle mit antibakteriellen Eigenschaften vor bakteriellem Befall schützen. Dies geschieht nicht – wie zu erwarten gewesen wäre – über chemische Moleküle mit antibakteriellen Eigenschaften. Vielmehr führen nur 200 Nanometer hohe Säulen aus einem wachsartigen Material zu Schäden an der bakteriellen Zellwand. Köller: „Bis dahin dachte man, Bakterien könnten in der Natur hauptsächlich über chemische Prozesse eliminiert werden. Jetzt zeigt sich, dass sie auch mechanisch zerstört werden können.“
 

Mit seinem Team entdeckte und erforschte er, wie sich Nanosäulen an der metallischen Oberfläche von Implantaten erzeugen lassen.
 

Nano-Säulenstrukturen zerstören Bakterien auf Implantaten

Dies gelang den Wissenschaftler in einer so genannten Sputteranlage. Dabei  und bilden auf einem Substrat, dem Implantat, eine feste Oberfläche. Einzelne Titanatome werden beim Sputtern so beschleunigt, dass sie schräg am Trägermaterial auftreffen und einen Keim für die Ablagerung weiterer Atome bilden. Mit der Methode gelang es den Forschern, die Nanosäulenstruktur der Zikaden fast identisch aus Metall nachzubauen.
 

Problem: Das Verfahren half bei stabförmigen Bakterien, nicht aber bei kugelförmigen. Die nämlich haben kaum Kontakt zur Nano-Oberfläche und werden von Nanosäulen deshalb nicht beschädigt.
 

Die Bochumer experimentierten mit Silber. Das kommt in zahlreichen antibakteriellen Beschichtungen vor, bei Oxidationen entstehenden Silberionen und zerstören Keime. Köhler setzte dieses Prinzip leicht verändert um. Haben ein edleres und ein unedleres Metall im wässrigen Milieu direkten Kontakt, wird das unedlere Metall oxidiert und geht in Lösung. Man spricht von einer Opfer-Anode. „Das Prinzip wurde in der Medizin bisher nicht genutzt worden, ist aber in der Technik gut bekannt“, so Köller. „Es wird zum Beispiel in Wasserboilern eingesetzt, wobei Zink-Elemente das Rosten verhindern.“ Im Experiment erwiesen sich Kombinationen aus Silber und Platin, Palladium beziehungsweise Iridium als besonders geeignet. Brachten die Materialforscher kleine Platin- und Silberflecken in Nanodimensionen auf, zeigte die Oberfläche eine gute Wirksamkeit gegen kugelförmige Bakterien.
 

Innerhalb von nur drei Tagen wird das Silber als Opfer-Anode verbraucht. Genau dieser Zeitraum gilt aus medizinischer Sicht als besonders kritisch: Die Wunde ist noch nicht verheilt. Und am Implantat befinden sich neben körpereigenen Immunzellen eben auch Bakterien. Sie konkurrieren quasi um die Oberfläche. Ist diese heikle Phase überstanden, sinkt auch das Infektionsrisiko.
 


Neugierig? Mehr Meldungen aus der Nano-Welt finden Sie in unserem Archiv.

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