E. Wintermantel, S.-W. На

Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen Implantate für Medizin und Umwelt

Mit 202 Abbildungen

Springer

Inhaltsverzeichnis

I. Grundlagen

1. Einleitung 1

2. Biokompatibilität 6 2.1 Definitionen 6 2.2 Implantat-Gewebe-Interaktionen 8

3. Biofunktionalität 11 3.1 Lastübertragung 11 3.2 Gelenkersatz 12

3.2.1 Tribologie 12 3.2.2 Reibung. 13 3.2.3 Schmierung 14 3.2.4 Verschleiss 14

3.3 Transport von Flüssigkeiten 16 3.4 Optische und akustische Übertragung 17 3.5 Kontrolle der Freisetzung von Arzneistoffen 17

4. Sterilisation 18 4.1 Hitzesterilisationsverfahren 19

4.1.1 Dampfsterilisation 19 4.1.2 Heissluftsterilisation 19

4.2 Kaltsterilisationsverfahren 20 4.2.1 Gassterilisation 20 4.2.2 Sterilisation mit ionisierender Bestrahlung. 22

4.3 Sterilisationsverfahren mit wässrigen Lösungen 23 4.4 Sterilisationsprüfung 23 4.5 Grundbegriffe 24

II. Das biologische System

5. Zellen 25 5.1 Einleitung 25 5.2 Zellaufbau 26

5.2.1 Zellmembran 2 7 5.2.2 Zytoplasma. 28 5.2.3 Zellkern 28 5.2.4 Mitochondrien 28 5.2.5 Endoplasmatisches Retikulum 30 5.2.6 Golgi-Apparat 30 5.2.7 Lysosomen 31 5.2.8 Zytoskelett. 31

XIV Inhaltsverzeichnis

5.3 Zellteilung 32 5.4 Differenzierung der Zelle 35 5.5 Zellkontakte und Werkstoffe 36

6. Blut 3 7 6.1 Zusammensetzung und Funktion 37 6.2 Zelluläre Bestandteile des Blutes 3 8

6.2.1 Erythrozyten 38 6.2.2 Leukozyten 39 6.2.3 Thrombozyten 39

6.3 Blutkreislauf 40 6.4 Blutstillung und Blutgerinnung 40 6.5 Blutkontakt und Hämokompatibilität 43

7. Gewebe 44 7.1 Einleitung 44

7.1.1 Epithelgewebe 44 7.1.2 Binde- und Stützgewebe 45 7.1.3 Muskelgewebe 47 7.1.4 Das Nervengewebe 47

7.2 Knorpelgewebe 47 7.3 Knochengewebe 49

7.3.1 Struktureller Aufbau 49 7.3.2 Chemische Zusammensetzung. 51 7.3.3 Mechanische Eigenschaften 52 7.3.4 Knochenzellen 52 7.3.5 Knochenentstehung (Ossifikation) 53 7.3.6 Knochenwachstum 55 7.3.7 Knochenbruchheilung 56

8. Immunsystem 60 8.1 Die Zellen des Immunsystems 60

8.1.1 Granulozyten 62 8.1.2 Monozyten und Makrophagen 63 8.1.3 Lymphozyten 64

8.2 Phagozytose und Pinozytose 66

9. Biokompatibilitätstestung mit Zell- und Gewebekulturen 67 9.1 Einleitung 67 9.2 In vitro-Kulturen 68

9.2.1 Zellkulturen 68 9.2.2 Gewebe- und Organkulturen 72 9.2.3 Kulturbedingungen 72

9.3 In vitro-Methoden zur Bestimmung der Biokompatibilität 75 9.3.1 Bestimmung der Zellzahl 77 9.3.2 Bestimmungen der Zellvitalität 79 9.3.3 Toxizitätstests (screening tests) 81 9.3.4 Reaktionstests (response tests) 84

9.4 In vivo-Tests 86 9.5 Vergleich zwischen in vitro- und in vivo-Tests 86 9.6 Ausblick 88

10. Reaktionen des menschlichen Körpers auf Werkstoffe und Bauteile 89 10.1 Entzündungsreaktionen 89 10.2 Allergische Reaktionen 89

Inhaltsverzeichnis XV

10.3 Abwehr partikulärer Substanzen, welche über die Atmung in den Körper eingetragen werden 91 10.3.1 Einleitung. 91 10.3.2 Inhalation von Flugasche 93 10.3.3 Inhalation von industriell hergestellten Fasern 94

10.4 Asbestproblematik 96

11. Tissue Engineering 98 11.1 Einleitung 98 11.2 Grundlagen des Tissue Engineering 101

11.2.1 Struktur und Aufbau natürlicher Gewebe 101 11.2.2 Struktur und Aufbau künstlicher Gewebe 103 11.2.3 Funktionale Elemente: Die Oberfläche 103 11.2.4 Funktionale Elemente: Die Architektur 105 11.2.5 Architektur: Das Anordnungsprinzip 106 11.2.6 Architektur: Hierachisierung durch Superstrukturen 107

11.3 Methodik 108

12. Erweiterung der Biokompatibilität auf Ökosysteme und Werkstoffe 110 12.1 Einleitung 110 12.2 Gesetzliche Grundlagen 111 12.3 Recycling - Downcycling - Upcycling 113 12.4 Schwerpunktprogramm Umwelt 114 12.5 Umweltchemie 115 12.6 Okotoxikologie und geogene Referenz 116 12.7 Ökologie, Okobilanzierung, Okotoxikologie, Okokompatibilität 117 12.8 Abfallverwertung 119

12.8.1 Herkömmliche Rostfeuerung. 119 12.8.2 Siemens-Schwel-Brenn-Verfahren 123 12.8.3 Thermoselect-Verfahren 123 12.8.4 HSR-Verfahren (Holderbank-Schmelz-Redox-Verfahren) 124 12.8.5 Abfallverwertung 126

12.9 Toxizitätsuntersuchungen 127 12.9.1 Einleitung. 127 12.9.2 Chemische Toxizitätstests 128 12.9.3 Biologische Toxizitätstests 129 12.9.4 Toxizität von behandelten und unbehandelten Rückständen.... 132

12.10 Quantitative Toxizitätstests 136

III. Das Werkstoffsystem

13. Werkstoffe in der Medizin 137

14. Biokompatible Metalle 139 14.1 Einleitung und geschichtlicher Rückblick 139 14.2 Mechanische Eigenschaften 141 14.3 Korrosion 143

14.3.1 Untersuchung der Korrosionsbeständigkeit von metallischen Implantatwerkstoffen 144

14.3.2 Passivierung 145 14.3.3 Korrosionsarten 146 14.3.4 Weitere Korrosionsarten 147

XVI Inhaltsverzeichnis

14.4 Biokompatibilität 148 14.4.1 In vitro- Korrosionsuntersuchungen 148 14.4.2 Korrosion und Gewebereaktion 149 14.4.3 Löslichkeit und Toxizität 151 14.4.4 Schlussbemerkung zur Biokompatibilität von metallischen

Implantatwerkstoffen 152 14.5 Rostfreie Stähle 152

14.5.1 Korrosionsbeständigkeit. 15 3 14.5.2 Mechanische Eigenschaften 154 14.5.3 Biokompatibilität. 155

14.6 Kobaltlegierungen 155 14.6.1 Korrosionsbeständigkeit. 157 14.6.2 Mechanische Eigenschaften 158 14.6.3 Biokompatibilität. 158

14.7 Titanlegierungen 159 14.7.1 Korrosionsbeständigkeit. 159 14.7.2 Mechanische Eigenschaften 161 14.7.3 Biokompatibilität. 161

15. Biokompatible Polymere 163 15.1 Synthetische Polymere 166

15.1.1 Polyethylen (PE) 166 15.1.2 Polyethylenterephthalat (PET) 168 15.1.3 Polyvinylchlorid (PVC) 170 15.1.4 Polycarbonate (PC) 172 15.1.5 Polyamide (PA) 173 15.1.6 Polytetrqfluorethylen (PTFE) 175 15.1.7 Polymethylmethacrylat (PMMA) 177 15.1.8 Polyurethane 182 15.1.9 Polysiloxane 187 15.1.10 Polyetheretherketon (PEEK) 189 15.1.11 Polysulfon (PSU) 191 15.1.12 Weitere synthetische Polymere 192

15.2 Natürliche Polymere 194 15.2.1 Kollagen 194 15.2.2 Chitin und Chitosan 197 15.2.3 Fibrin 199

15.3 Biodegradable Polymere 200 15.3.1 Polylactide und Polyglykolide 203 15.3.2 Polyhydroxyalkanoate 206 15.3.3 Polycaprolacton (PCL) 207 15.3.4 Polyanhydride 208 15.3.5 Polyorthoester 209

16. Biokompatible keramische Werkstoffe 211 16.1 Aluminiumoxid 212

16.1.1 Klinische Ergebnisse 212 16.2 Zirkonoxid 214

16.2.1 Klinische Ergebnisse 214 16.3 Hydroxylapatit 216

16.3.1 Einleitung. 216 16.3.2 Herstellung 216 16.3.3 Chemische Zusammensetzung und Kristallstruktur 217 16.3.4 Eigenschaften 218 16.3.5 Hydroxylapatitbeschichtungen 221

Inhaltsverzeichnis

16.3.6 Plasmagespritzte HA-Beschichtungen für die medizinische Anwendung 225

16.3.7 Klinische Ergebnisse 225 16.4 Bioglas 227

16.4.1 Einleitung. 227 16.4.2 Herstellung 227 16.4.3 Chemische Zusammensetzung. 227 16.4.4 Eigenschaften 229 16.4.5 Klinische Ergebnisse und Anwendungen 231

17. Anisotrope biokompatible Faserverbundwerkstoffe 232 17.1 Einleitung 232 17.2 Funktionelle Einheiten eines kohlenstoffaserverstärkten

Verbundwerkstoffes 233 17.2.1 Die Faser. 233 17.2.2 Die Matrix 234 17.2.3 "Interphasen "und "Interfaces" in Verbundwerkstoffen 235 17.2.4 Der Faser-Matrix-Verbund. 239 17.2.5 Einfluss der Faserarchitektur (textile Anordnung von Fasern).. 245

17.3 Gestricke als 3-dimensionale Verstärkungsstrukturen biokompatibler Faserverbundwerkstoffe 247 17.3.1 Die Struktur gestrickverstärkter Verbundwerkstoffe 247 17.3.2 Mechanische Eigenschaften 250

17.4 Ausgewählte Fertigungsverfahren für Bauteile aus biokompatiblen Faserverbundwerkstoffen 255 17.4.1 Einleitung. 255 17.4.2 Pressverfahren für spanende und "net-shape"-Fertigung, am

Beispiel einer Osteosyntheseplatte 258 17.4.3 "Net-shape "-Pressverfahren 259 17.4.4 Spanende Fertigung aus einem gepressten Halbzeug. 260 17.4.5 Vergleich der mechanischen Eigenschaften der beiden Platten 260 17.4.6 Intraoperative Adaptierbarkeit. 262 17.4.7 Diskussion 263

17.5 Spritzguss kurzfaserverstärkter Verbundwerkstoffe 265 17.5.1 Faserorientierungsverteilung im spritzgegossenen

Verbundwerkstoff. 265 17.5.2 Gegentaktsprilzguss 267

17.6 Fliesspressen endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoffe am Beispiel einer Osteosyntheseschraube 268 17.6.1 Eigenschaften von fliessgepressten Kortikalisschrauben 271 17.6.2 Diskussion 273

Xl.l Schlussfolgerungen 274

18. Ökokompatible Werkstoffe 276 18.1 Nachwachsende Rohstoffe 277 18.2 Ökokompatible Polymere 278

18.2.1 Biodegradable Fasern 279 18.3 Degradationsverhalten von cellulosefaserverstärktem PHB/V

(Biopol®) 281 18.3.1 Degradationsverhalten der Faser. 282 18.3.2 Degradationsverhalten des Verbundwerkstoffes 284 18.3.3 Diskussion und Anwendungen 287

XVIII Inhaltsverzeichnis

IV. Ausgewählte Implantate

19. Hüftgelenks-Endoprothesen 288 19.1 Der Hüftprothesenschaft 289

19.1.1 Design des Prothesenschafles 289 19.2 Die Hüftpfanne 293

19.2.1 Design der Hüftpfanne 293 19.3 Die Hüftgelenkskugel 295 19.4 Die zementierte Prothese 296 19.5 Die zementlos implantierte Prothese 297 19.6 Entwicklung eines neuen Hüftprothesenschaftes aus einem

anisotropen Werkstoff 297 19.6.1 Material. 298 19.6.2 Generierung eines 3D-CAD-Modells 299 19.6.3 Entwickeln des zugehörigen Instrumentariums 300

19.7 Fertigung der Schafshüftprothesen 301 19.7.1 Das Spritzgusswerkzeug 301 19.7.2 Spritzgiessen von kurzfaserverstärkten Schafshüftprothesen 302

19.8 Faserorientierungsverteilung in Abhängigkeit der Fertigungsparameter 304 19.9 Mechanische Eigenschaften der Schafshüftprothesen 304

19.9.1 Statische Prüfung 304 19.9.2 Thermische Nachbehandlung 307 19.9.3 Ermüdungsprüfung 307

19.10 Folgerungen aus den mechanischen Untersuchungen 309 19.11 Relativbewegung der Schafshüftprothesenschäfte im

knöchernen Lager durch Randfaserdehnung 3 10 19.11.1 Resultate 311

19.12 Diskussion 314

20. Entwicklung eines degradablen Osteosynthesesystems für die Gesichtschirurgie 3 15 20.1 Einleitung 315 20.2 Prozessentwicklung 3 17 20.3 Resultate und Diskussion 318

20.3.1 Morphologie 318 20.3.2 Molekulargewicht 319 20.3.3 Mechanische Eigenschaften 320 20.3.4 Kristallinität. 322 20.3.5 pH-Profil 323

20.4 Schlussfolgerungen und Ausblick 323

21. Implantate für den Bandscheibenersatz 324 21.1 Einleitung 324 21.2 Die Wirbelsäule 325

21.2.1 Anatomie der Wirbelsäule 325 21.2.2 Die Bandscheibe 325

21.3 Biomechanik der Bandscheibe 327 21.3.1 Die mechanische Funktion der Bandscheibe 327 21.3.2 Kennwerte von lumbalen Bandscheiben 327

21.4 Krankhafte Bandscheibenveränderungen 328 21.4.1 Behandlungsmöglichkeiten bei Bandscheibenschäden 329 21.4.2 Postdiskotomiesyndrom 330

21.5 Implantate für den Bandscheibenersatz 331 21.5.1 Wirbelkörperverblockende Implantate 331 21.5.2 Implantate mit Erhaltung der Segmentbeweglichkeit 334

Inhaltsverzeichnis XIX

22. Kontrollierte therapeutische Systeme (Controlled drug delivery systems) 336 22.1 Einleitung 336

22.1.1 Definitionen 336 22.1.2 Therapeutischer Index 337 22.1.3 Konzept 339

22.2 Konventionelle Arzneimittel 339 22.2.1 Grenzen der konventionellen Darreichungsformen 340

22.3 Kontrollierte therapeutische Systeme 341 22.3.1 Konzept und Definition 341

22.4 Anforderungen und Klassifizierung von Polymeren für kontrollierte therapeutische Systeme 342

22.5 Membransysteme 345 22.5.1 Osmotische Pumpen 346

22.6 Matrixsysteme 347 22.6.1 Degradable Systeme 347

22.7 Trägersysteme 349 22.8 Anwendungsbeispiele 350

22.8.1 Okulares therapeutisches System 350 22.8.2 Transdermales therapeutisches System 350

22.9 Ausblick 351

23. Zellträgersysteme 352 23.1 Immobilisation der Zellen 354 23.2 Zellvermehrung auf den Trägersubstraten 355 23.3 Nährstoffversorgung der Zellen auf den Trägersubstraten 356 23.4 Schutz gegen körpereigene Immunabwehr 356 23.5 Zellträgersysteme 357

23.5.1 Angiopolare Zellträger 357 23.5.2 Resorbierbare Polymersysteme 361

24. Die Fadeninjektion 363

25. Beispiele CT- und NMR-kompatibler chirurgischen Instrumentes (Retraktorblatt für die Halswirbelsäulenchirurgie, Biopsienadel) 367

25.1 Einleitung 367 25.2 Notwendigkeit der intraoperativen Röntgenkontrolle 368

25.2.1 Prä- oder postoperative artefaktfreie Beurteilung des OP-Gebietes in der Magnetresonanztomographie (NMR) 371

25.3 Fertigung eines NMR-kompatiblen Retraktorblattes aus kohlenstoffaserverstärkten Thermoplasten 374 25.3.1 Einleitung. 374 25.3.2 Spritzgussgerechte Bauteilkonstruktion und Formenbau 375 25.3.3 Struktur und Eigenschaften des Retraktorblattes 378 25.3.4 Ausblick auf weitere Entwicklungen 379

26. Transplantate und Implantate im Mittelohrbereich 381 26.1 Einleitung 381 26.2 Otosklerose-Chirurgie 382 26.3 Alloplastische Implantate zur Rekonstruktion der Schalleitungskette..382

26.3.1 Keramische Mittelohrimplantate 383 26.3.2 Ionomerzement. 384 26.3.3 Polyethylen, Teflon 384 26.3.4 Gold 385

26.4 Zusammenfassung und Ausblick 385

XX Inhaltsverzeichnis

. Literaturverzeichnis 386

Sachwortverzeichnis 409

Abkürzungen 416

Glossar 417

.