Zusammenfassung
Die biologische Wirkung von Implantaten hängt nicht nur vom Implantationsort und von patientenindividuellen Faktoren ab, sondern wird maßgeblich von der physikochemischen Zusammensetzung sowie der Oberflächentopografie des Werkstoffes beeinflusst. Im Falle permanenter Implantate am Knochen werden hierbei insbesondere eine sichere primäre Haftung, die Förderung einer raschen Osteointegrität sowie eine antimikrobielle Wirkung des Implantates angestrebt. Oberflächenveränderungen finden sich jedoch auch an Biomaterialien, die nur temporär mit Gewebe in Berührung kommen wie Werkstoffe zur Osteosynthese, Sägelehren oder Probeimplantate und chirurgische Instrumente. Die vorliegende Arbeit fasst die relevanten werkstofftechnischen Grundlagen für die Bewertung von Implantatoberflächen zusammen. Neben den werkstofftechnischen und biologischen Prinzipien werden Oberflächenmodifikationen für die gezielte klinische Anwendung vorgestellt und aktuelle Entwicklungsstrategien skizziert.
Abstract
The biological effects of implants in vivo are not only dependent on the implantation site and patient-specific factors but are also influenced by the physicochemical composition and the surface topography of the biomaterial. In cases of permanent implants applied to bone, primary stability, the promotion of rapid osteointegration and antimicrobial properties of the implant are strived for; however, surface modifications are also found on biomaterials which only temporarily come into contact with tissue. These include not only osteosynthesis materials, jig or implant templates but also surgical instruments. This article summarizes the relevant technical principles of materials for the assessment of implant surfaces. Besides technical material-specific and biological principles, different surface modifications for targeted clinical applications are presented. Furthermore, current developmental strategies are outlined.
This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.
Literatur
Tsang PH, Li G, Brun YV et al (2006) Adhesion of single bacterial cells in the micronewton range. Proc Natl Acad Sci USA 103:5764–5768
Bixler GD, Theiss A, Bhushan B et al (2014) Anti-fouling properties of microstructured surfaces bio-inspired by rice leaves and butterfly wings. J Colloid Interface Sci 419:114–133
Chung KK, Schumacher JF, Sampson EM et al (2007) Impact of engineered surface microtopography on biofilm formation of staphylococcus aureus. Biointerphases 2:89–94
Hasan J, Crawford RJ, Ivanova EP (2013) Antibacterial surfaces: the quest for a new generation of biomaterials. Trends Biotechnol 31:295–304
Ali M, Kim B, Belfield KD et al (2016) Green synthesis and characterization of silver nanoparticles using Artemisia absinthium aqueous extract—a comprehensive study. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 58:359–365
Barrere F, Van Blitterswijk CA, De Groot K (2006) Bone regeneration: molecular and cellular interactions with calcium phosphate ceramics. Int J Nanomedicine 1:317–332
Instrumenten-Aufbereitung A (2017) Instrumenten Aufbereitung – Instrumente werterhaltend aufbereiten. Arbeitskreis Instrumenten-Aufbereitung, Gütersloh
Jäger M, Jennissen HP, Dittrich F et al (2017) Antimicrobial and osseointegration properties of nanostructured titanium orthopaedic implants. Materials (Basel) 10(11):pii:E1302. https://doi.org/10.3390/ma10111302
Jager M, Urselmann F, Witte F et al (2008) Osteoblast differentiation onto different biometals with an endoprosthetic surface topography in vitro. J Biomed Mater Res A 86:61–75
Jager M, Zilkens C, Zanger K et al (2007) Significance of nano- and microtopography for cell686 surface interactions in orthopaedic implants. J Biomed Biotechnol. https://doi.org/10.1155/2007/69036
Claes L, Kirschner P, Perka C, Rudert M (2012) AE-Manuala der Endoprothetik. Springer, Heidelberg
Thomas W, Lucente L, Mantegna N et al (2004) ESKA (CUT) endoprosthesis. Orthopäde 33:1243–1248
Salis-Soglio VGGJ (2005) Die zementfreie Eska-Kurzstielendoprothese - Operationsprinzip und erste klinische Erfahrungen. In: Effenberger H (Hrsg) Implantateatlas. MCU, Salzburg, Linz, S 225–227
Jennissen HP (2015) Über die Herkunft des imaginären Teils komplexer Kontaktwinkel. Materwiss Werksttech 46:786–795
Carmeliet P, Jain RK (2000) Angiogenesis in cancer and other diseases. Nature 407:249–257
Zhang BG, Myers DE, Wallace GG et al (2014) Bioactive coatings for orthopaedic implants-recent trends in development of implant coatings. Int J Mol Sci 15:11878–11921
Schwartz ZR, Raines AL, Boyan BD (2011) The effect of substrate microtopography on osseointegration of titanium implants. In: Ducheyne P, Healy K, Hutmacher DW, Grainger DW, Kirkpatrick CJ (Hrsg) Comprehensive biomaterials. Elsevier, Amsterdam, S 343–352
Repenning D (2006) Beschichtungen auf Implantaten. In: Gradinger R, Gollwitzer H (Hrsg) Ossäre Integration. Springer, Heidelberg
Brennan SA, Ni Fhoghlu C, Devitt BM et al (2015) Silver nanoparticles and their orthopaedic applications. Bone Joint J 97-B:582–589
Malda J, Rouwkema J, Martens DE et al (2004) Oxygen gradients in tissue-engineered PEGT/PBT cartilaginous constructs: measurement and modeling. Biotechnol Bioeng 86:9–18
Rouwkema J, Rivron NC, Van Blitterswijk CA (2008) Vascularization in tissue engineering. Trends Biotechnol 26:434–441
Itala AI, Ylanen HO, Ekholm C et al (2001) Pore diameter of more than 100 microm is not requisite for bone ingrowth in rabbits. J Biomed Mater Res 58:679–683
Heughebaert M, Legeros RZ, Gineste M et al (1988) Physicochemical characterization of deposits associated with HA ceramics implanted in nonosseous sites. J Biomed Mater Res 22:257–268
Legeros RZ (2002) Properties of osteoconductive biomaterials: calcium phosphates. Clin Orthop Relat Res 395:81–98
Danksagung
Der Autor dankt Herrn Univ.-Prof. Dr. Dipl.-Ing. Alfons Fischer (Institut für Technologien der Metalle) und Herrn Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Herbert P. Jennissen (Institut für Physikalische Chemie) der Universität Duisburg-Essen für die kritische Durchsicht des Manuskriptes und ihre hilfreichen Anmerkungen.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Ethics declarations
Interessenkonflikt
M. Jäger gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Dieser Beitrag beinhaltet keine vom Autor durchgeführten Studien an Menschen oder Tieren.
Additional information
Redaktion
C. Chiari, Wien
R. von Eisenhart-Rothe, München
H. Gollwitzer, München
J. Grifka, Bad Abbach
M. Jäger, Essen
A. Meurer, Friedrichsheim
Appendices
Anhang
CME-Fragebogen
Was ist gegenwärtig im Wissen um Implantatoberflächen bekannt?
Nanosilberbeschichtete Implantatoberflächen sind für Eukaryonten toxischer als Silber in ionisierter Form.
Die Calciumphosphatschicht Hydroxylapatit-beschichtete Oberflächen sollte möglichst dick sein.
Nach der Implantation bildet sich auf der Implantatoberfläche ein präkonditionierender Proteinfilm, der für die zelluläre Adhärenz sowie für den Informationsaustausch zwischen Implantat und Zelle verantwortlich ist.
Die Passivierungsschicht metallischer Oberflächen bietet keinen ausreichenden Schutz vor In-vivo-Korrosion.
Nanostrukturierte Implantatoberflächen besitzen analog zur Lotuspflanze einen selbstreinigenden Effekt in vivo (sog. Lotuseffekt).
Nanostrukturierte Oberflächen sind definiert durch …
Größen, die in der Regel oberhalb der Dimension von eukaryontischen Zellen liegen.
Herstellungsverfahren mit dem Einsatz von Lasertechnologien.
charakteristische Mesoporen.
Korngrößen von <100 nm.
ihre Effekte gegenüber Mikroorganismen.
Calciumphosphatverbindungen auf der Oberfläche von Implantaten …
fördern stets die frühe Osteointegration eines Implantates.
sollen zur Förderung der Osteointegration eine möglichst dicke Schicht besitzen.
werden vom Körper umgebaut und können eine mechanische Schwachstelle darstellen.
werden rasch innerhalb von 4 Wochen vom umgebenden Gewebe resorbiert.
besitzen meist Porengrößen von unter 75 µm.
Welche zeitliche Reihenfolge der In-vivo-Löslichkeit und Resorbierbarkeit von Calciumphosphatbeschichtungen trifft zu?
Dicalciumphosphat > Tricalciumphosphat > Hydroxylapatit
Tricalciumphosphat > Dicalciumphosphat > Hydroxalapatit
Hydroxylapatit > Tricalciumphosphat > Dicalciumphosphat
Dicalciumphosphat > Hydroxylapatit > Tricalciumphosphat
Hydroxylapatit > Dicalciumphosphat > Tricalciumphosphat
Organische Beschichtungen …
spielen derzeit in der klinischen Anwendung eine untergeordnete Rolle.
lassen sich problemlos sterilisieren.
besitzen in der Regel eine sehr gut kontrollierte Freisetzungskinetik.
ermöglichen es nicht, auch Antibiotika an Werkstoffoberflächen zu binden.
besitzen den Nachteil einer geringen Konzentration der angebundenen Substanz am Wirkort.
Die farblichen Veränderungen von mehrfach wiederaufbereiteten Implantaten, wie z. B. Titanschrauben, …
sind unbedenklich.
basieren häufig auf Oxidationsprozessen.
zeigen bei bläulicher oder grünlicher Verfärbung eine mechanische Schwachstelle an.
sind ein Zeichen für eine Kontamination mit Gewebeflüssigkeit.
sind durch das Einhalten entsprechender Vorschriften durch die ZVSA vermeidbar.
Der Benetzungswinkel (CA) …
wird mit einem Profilometer gemessen.
ist bei hydrophilen Implantatoberflächen sehr hoch (>90°).
ist bei hydrophoben Oberflächen sehr niedrig (≈0°).
gibt den Grad der Porosität an.
wird mit einem Goniometer gemessen und ist bei superhydrophilen Oberflächen < 10°.
Bei der Oberflächenmodifikation von Implantaten …
werden je nach Anwendungsgebiet Körner aus Glas, Korund oder Sand zum Strahlen von Implantatoberflächen in der Orthopädie und Unfallchirurgie verwendet.
führt eine Vergrößerung der Implantatoberfläche durch Erhöhung der Rauigkeit zur Verbesserung der zellulären und zur Verminderung der bakteriellen Adhärenz.
ist die kritische Porengröße, die eine ausreichende Versorgung von eingewachsenem Gewebe mit Nährstoffen gewährleistet, bei 20 µm.
lagern sich nach der Implantation initial langkettige Proteine auf der Implantatoberfläche an (Vroman-Effekt).
befinden sich antibiotikabeschichtete Implantate noch nicht im klinischen Einsatz.
Die Ionenimplantation wird zur Modifikation von Implantatoberflächen eingesetzt. Hierbei handelt es sich um …
ein subtraktives Verfahren.
ein Verfahren, das ohne Zwischenschicht auskommt.
ein biochemisches Verfahren.
eine Technik, die vornehmlich bei keramischen Werkstoffen durchgeführt wird.
eine etablierte Methode, die jedoch den Nachteil der schlechten Reproduzierbarkeit durch Verunreinigungen besitzt.
Als Maß für die Primärstabilität eines Implantates wird häufig der folgende Parameter herangezogen:
Ra
Rz
Kontaktwinkel (CA)
Reibungskoeffizient („Reibezahl“)
Adhäsionsarbeit
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Jäger, M. Oberflächenmodifikationen von Implantaten. Teil 1. Orthopäde 47, 347–366 (2018). https://doi.org/10.1007/s00132-018-3548-1
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s00132-018-3548-1