Biokeramik
AG Biokeramik
Die Arbeitsgruppe Biokeramik am Institut für Gesteinshüttenkunde befasst sich mit der Entwicklung von neuartigen keramischen Werkstoffen für den medizinischen Einsatz. Im Vordergrund stehen inerte Hochleistungskeramiken wie Al2O3, ZrO2, Nichtoxidkeramiken, insbesondere SiC und Si3N4, sowie Calciumphosphat basierte Werkstoffe, die bioaktive bzw. bioresorbierbare Eigenschaften aufweisen. Ein wichtiger Aspekt der Entwicklungsarbeit ist eine maßgeschneiderte Oberflächenkonditionierung der oben genannten Werkstoffe, da die entscheidendsten in vivo Prozesse sich unmittelbar nach der Implantation auf der Oberfläche abspielen. Die Arbeitsgruppe konzentriert sich darüber hinaus auf die Erforschung von multifunktionalen Materialien, welche mehrere biologische Merkmale wie Osseointegration, Osseoinduktivität, Hämokompatibilität, Bakterizität unter anderem aufweisen und somit eine verbesserte Implantatenintegration im Körper mit minimalisiertem Infektionsrisiko sichern könnten.
Untersuchung von nicht-thrombogenen Biokeramiken für kardiovaskuläre Implantate
Herz-Kreislauf-Erkrankungen umfassen alle Symptome, die das Herz und die Blutgefäße betreffen. Für viele der Patienten gilt die chirurgische Behandlung als die einzig wirksame Lösung. Diese Behandlung beinhaltet entweder die Wiederherstellung oder den Ersatz des beschädigten Teils durch ein biomedizinisches Implantat. Biomedizinische Implantate können jedoch zu Thromboseproblemen führen und die Patienten könnten aufgrund der chronischen Antikoagulationstherapie zur Blutgerinnung einem Blutungsrisiko ausgesetzt sein.
Im Mittelpunkt der aktuellen Forschung steht die Untersuchung von nicht-thrombogenen Keramikoberflächen für kardiovaskuläre Implantate, die den Antikoagulationsaufwand der Patienten reduzieren und damit Blutungsrisiken vorbeugen. Um Implantate mit verbesserter Hämokompatibilität zu entwickeln, ist es besonders wichtig, den Thrombosemechanismus an der Biomaterial/Blut-Schnittstelle zu verstehen. Als vielversprechende Biomaterialien werden einkristalline Keramiken (Al2O3, ZrO2, SiC) hinsichtlich ihrer Zytokompatibilität, Endothelisierungsqualität und Blutzellreaktion untersucht. Unterschiedliche Oberflächeneigenschaften von Keramiken, wie kristallographische Orientierung, Oberflächenebene und atomare Anordnung, werden berücksichtigt. In Zusammenarbeit mit Partnerinstitutionen führen wir statische und dynamische Zellkulturexperimente, die Charakterisierung der Zellmorphologie sowie mehrere quantitative und qualitative biologische Analysen durch.
CeramStent: Erforschung hämokompatibler Beschichtung aus Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen für kardiovaskuläre Einsätze.
Metallbasierte Gefäßstents gelten heutzutage als Goldstandard in der Kardiologie und werden eingesetzt, um die Durchgängigkeit von arteriosklerotisch verengten Herzkranzgefäßen erneut zu gewährleisten. Die hohe Mortalität bei den Patienten mit koronaren Herzkrankheiten zeigt jedoch, dass die Anforderungen an den in dem Bereich angewendeten Werkstoffen noch nicht vollständig erfüllt sind. Das Hauptziel der Forschung ist die Entwicklung einer reproduzierbaren, maßgeschneiderten Beschichtung mit hämokompatiblen Eigenschaften für den dauerhaften medizinischen Einsatz auf kardiovaskulären Implantaten. Die Beschichtung soll eben einer verbesserten Hämokompatibilität, die Lebensdauer der bis jetzt eingesetzten Werkstoffe wesentlich erhöhen.
Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – 405895710
Oberflächenfunktionalisierung keramischer Implantate
Die Oberflächenbeschaffenheit ist während der ersten Phase einer Implantation entscheidend. Von diesen komplexen Prozessen hängt es ab, ob das Implantat vom Körper aufgenommen oder abgestoßen wird. Durch eine Oberflächenmodifikation könnten diese Reaktionen je nach Anwendung und Einsatzgebiet durch ein gezielt gestaltetes Oberflächendesign beeinflusst werden.
Dies kann beispielsweise durch eine kovalente Immobilisierung einer Monoschicht von Graphenoxid auf einer aktivierten keramischen Oberfläche realisiert werden, da dieses Material sowohl antimikrobielle und osteoinduktive als auch hämokompatible Eigenschaften zeigt. Darüber hinaus weist das Material durch eine große spezifische Oberfläche effiziente Mengen an reaktiven Carboxyl-, Hydroxyl- und Epoxygruppen auf. Diese können für eine anschließende Beladung mit biologisch aktiven Bestandteilen, wie Wachstumsfaktoren oder kurze Peptidsequenzen, eine entscheidende Rolle spielen.
Calciumphosphat (CaP) basierte Werkstoffe kommen auf Grund der bioaktiven und zum Teil bioresorbierbaren Eigenschaften als Knochenersatzimplantate zum Einsatz. Wegen der mechanischen Eigenschaften ist die Anwendung auf nichtlasttragende Knochendefekte beschränkt. Diese Werkstoffe eignen sich dennoch als Beschichtungen auf inerten keramischen Implantaten. Durch co-Abscheidung kann die biokompatible CaP-Beschichtung, wie beim Graphenoxid Film, mit verschiedenen biologischen Bestandteilen wie Proteinen oder Antibiotika multifunktionalisiert werden.