Wintermantel, Erich

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Struktur - und Oberflächenkompatibilität von WerkstoffenErich WintermantelLehrstuhl für Biokompatible Werkstoffe und BauweisenZürich, Wagistr. 23, CH-8952 SchlierenEinleitungVon der Makro- zur Mikro- undMonophasische Werkstoffe, die dafür Nanostrukturkompatibilitätentwickelt werden, im menschlichen Körpereine Funktion zu erfüllen, sind selten. Wie in (1, 2) beschrieben, wird unterHäufiger sind jene Werkstoffe, die bereits in S t ruk tu rkompat ib i l i t ä t die opt imaleeiner industriellen Applikation zu finden sind Krafteinleitung durch das Implantat in dieund die, nach Bestätigung einer Nicht- Empfängerstruktur verstanden, mithin einToxizität und -Mutageni tä t , eine Kennzeichen lasttragender verträglicherBauteilentwicklung für die Anwendung im Implantate. Der Anisotropie ist dabeiKörper zulassen. In ebenso seltenen Fällen besondere Beachtung zu schenken, da beierfolgt eine Modifikation eines bereits in hoher Übereinstimmung des Anisotropie-anderen als dem medizintechnischen Markt grades zwischen Implantat- und Empfänger-vorhandenen monophasischen Werkstoffs, S t r u k t u r von e ine r o p t i m a l e nz. B. durch Weglassen von nicht Strukturverträglichkeit ausgegangen werdenbiokompatiblen Weichmachern eines kann.Polymers oder von Legierungsbestandteileneines metallischen Werkstoffs. Die Neuere Aspekte beziehen auch die kleinstenBegründung für die Seltenheit dieser Fälle transplantierten Strukturen ein, bei denenliegt im hohen Entwicklungsaufwand und der Kräfte nicht im Vordergrund der Werkstoff-Nichtvorhersagbarkeit des Erfolges einer und Bauteilentwicklung standen, sondernWerkstoff-Neuentwicklung, ebenso im eher eine chemisch-biochemischepotentiell hohen Haftungsrisiko nach Wechselwirkung zwischen Werkstoff undVersagen eines Implantats. Zahlreiche biologischem System. Dies betr i f f tIndustriefirmen nehmen, obwohl sie apparativ beispielsweise Trägerwerkstoffe, mit denenund personell dazu in der Lage wären, derzeit eine kritische Zellmasse in ihremAbstand von Werkstoffneusynthesen und Metabolismus und/oder ihrer Proliferations-grundlagenforschungsorientierte Förder- rate beeinflusst werden soll mit dem FernzielInstitutionen erwarten, unter finanziellem des Organersatzes durch Histoide undDruck stehend, die Einreichung von Projekten Organoide. Noch immer bestehen z. B.geringen Risikos bei der Entwicklung Zellkulturschalen weitgehend aus nichtbiokompatibler Werkstoffe. Es ist nicht die strukturierten, lediglich chemisch oderZeit neu entwickelter Werkstoffe für die physikalisch modifizierten, Oberflächen undAnwendung im Körner, es ist jedoch eine Ära die Literatur, in der Erkenntnisse über dieder sanften Optimierung bestehender Beeinflussung von Syntheseleistung undWerkstoffe zu erkennen. Zu diesen Replikation von Zellen durch StrukturenOptimierungen zählen bioaktivierende und nachzulesen sind, ist sehr überschaubar,andere BeSchichtungen ebenso wie dieS t ruk tu ränderung durch def in ier te Ein Handlungskonzept in der Entwicklung vonPorositäten. Unter Verschiebung der d i f ferenzier t , duch St ruktur undWertskala können auch diese Werkstoffe als Oberflächencharakteristik, wirkendenneu bezeichnet werden, falls sie ein neues b iokompa t ib l en Werks to f fen fürBehandlungsmodul in einem bestehenden Zelltransplantationen nimmt daher VerfahrenTherapieschema ermöglichen oder völlig der Umstrukturierung zu Hilfe, z. B.neue Therapien in Aussicht stellen. lithographische Verfahren und andere Mikro-und Nanosys t emtechn iken , umBesondere Beachtung verdient die in jüngster Strukturveränderungen der Werkstoffe imZeit intensiver werdende Zusammenarbeit Bereich der Grosse von Zellen odervon Nachbardisziplinen, deren Vertreter Zellwandabschnitten zu erreichen. Manneben der Notwendigkeit der Inter- oder erhofft sich davon eine erheblich gezieltereMehrdisziplinarität auch die enger werdenden Beeinflussung von Zellmetabolismus undfinanziellen Forschungsrahmenbedingungen Replikationsverhalten als dies ohneerkennen. Zuhifenahme dieser Techniken zu erzielenwäre. Die Umsetzung solcher Konzepte kannsinnvoll nur in einer gemeinsamenBiomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996Entwicklungsarbeit von wenigsten drei B l u t g e f ä s s n e u b i l d u n g an regendenDisziplinen erreicht werden: Trägerwerkstoff lokal und schnell neue-der biologischen Disziplinen, darunter die Blutgefässe aussprossen und Anschluss anZellbiologie und die Medizin, die mit dem Trägerwerkstoff übertragenen-der Werkstoffprozesstechniken, sowie Zellen findet. Dieser zweite Weg reduziert-der Oberflächentechniken. den apparativen und personellen Aufwand fürIn allen drei Teilbereichen sind Fertigungs- jede einzelne Transplantation, erhebt jedochund analytische Aspekte integriert. an die Entwicklung eines optimalenWerkstoffs höhere und komplexereUnter strikter Nutzung solcher mehr- Ansprüche, da neben der Sicherstellung desdisziplinärer Vernetzungen sind folgende Überlebens der Zellen in derhauptsächlich durch Strukturverträglichkeit vorvaskularisierten Phase auch noch diebedingte Entwicklungen zu erwarten: differenzierte Angiogenese erreicht werdenmuss.-Trägerwerkstoffe und -elemente für dieoptimale Zellzüchtung im Labormassstab. -Neue Biosensoren mit Permanentfunktion.Gängige Typen von Zellkulturschalen und Abgeleitet von Zellträgern, die eine lokale,-behältnissen könnten durch geeignete benigne und differenzierte Blutgefäss-Fertigungsprozesse so strukturiert werden, neubildung im Empfängerorganismusdass, abgestimmt auf bevorzugte Zelltypen, bewirken, sind mit Kathetersystemeneine differenzierte Einflussnahme auf gekoppelte Konnektoren in Vorbereitung, anProliferation oder Metabolismus möglich wird, die Blutgefässe anwachsen, jedoch ohneSchliesslich könnten topografisch genau trennende Bindegewebsmembran, die sichfestgelegte Entnahmestellen für Medien üblicherweise um bekannte implantierteintegriert werden, die eine "Lokaldiagnose11 Biosensoren bilden. Der Nachteil bekannterzulassen würden. Kombiniert mit zuführenden Systeme liegt in einer zeitabhängigM i k r o k a n ä l e n und gee igne ten auftretenden Funktionminderung bis zumReglungseinheiten könnte differenzierter als -verlust, falls Bindewebe eine so dickederzeit auf Zellfunktionen Einfluss genommen Membran um das Implantat gebildet hat, dasswerden. Damit möglichst zahlreiche eine transmembranöse SignalübertragungForschergruppen mit den neuen Elementen nicht mehr möglich ist.arbeiten, sollte dem Aspekt derwirtschaftlichen Fertigung sehr f rüh -Die Erzeugung reproduzierbarer loko-Beachtung geschenkt werden und die typischer Vaskularisationsmuster in vivo. MitHerstellprozesse sollten eine net-shape- angiopolaren Zellträgern, die frei von ZellenFertigung zulassen. implant ier t werden, Hessen sichGefässmuster erzeugen, die in der-Zellträger für die Zelltransplantation Hier ist Radiotherapie zum Studium der Regressionzu entscheiden, wann man Angiogenese von benignen (nicht metastasierenden)zulassen oder fördern will. Unentschieden ist Gefässtumoren als Modell Bedeutungdie Frage, ob Zellen, beispielsweise zur erlangen können. Damit könnte ein BeitragUnterstützung von beeinträchtigten an die Optimierung von Bestrahlungs-Organfunktionen, mit einem vorbestehenden parametern geleistet werden. Ebenso ergäbeGefässtiel und über einen mikrovaskulären sich ein der Optimierung der RadiotherapieAnschluss der Blutversorgung des dienendes Studienmodell falls mit einemEmpfängerorganismus zugeführt werden angiopolaren Zellträger Tumorzellensollen oder ob man in situ und postoperativ transplantiert würden und sich in dereine möglichst intensive und differenzierte Umgebung einer hypervaskularisierten Zone,Angiogenese zum schnellen Anschluss der die durch den Zellträger angeregt wurde, eineTransplantate anstreben soll. Im ersten Fall Tumormasse bildet,müssen Blutgefässe zunächst gezüchtetwerden und die zu transplantierenden Zellen Alle vier genannten Beispiele von zukünftigenmöglichst nahe an deren Endstrombahnen Neuentwicklungen aus biokompatiblenherangeführt werden, um anschliessend als Werkstoffen tragen das Kennzeichen dervaskularisiertes Zellsystem tranplantiert zu Mikro- und Nano-Strukturkompatibilität. Siewerden. Dies bedeutet erheblichen zu erzielen ist nur vorstellbar durch enge undtechnischen, auch mikrochirurgischen, kooperative Forschungsarbeit der eingangsAufwand. Im zweiten Fall wird auf die lokale genannten drei Forschungsdisziplinen. DieseBlutversorgung im Empfängerorganismus nur arbeiten am besten und effizientestensoweit Rücksicht genommen, dass ein zunächst im Sinne von vir tuel lenmöglichst gut durchblutetes Gewebe, z. B. Organisationen zusammen, also ohneMuskelgewebe oder Mesenterium gewählt formale Neugruppierung, wohl aber nachwird und durch einen die differenzierte aussen sichtbar in Projekten. Eine, auch10 Biomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1*1996formale Schwerpunktbildung würde dann die auch an eine Blockfertigung grössererZusammenarbeit konzentrieren, wenn weitere Trägerstukturen ist zu denken, die in kleinereabgeleitete Entwicklunsgziele erkennbar Einheiten für die mikrochirurgischewürden· Implantationstechnik, auch die minimalinvasive Applikation, aufgetrennt werden und_ durch Dotierungsvorrichtungen mit ZellenOberflachenkompatibilitat als integrierter beschickt werden. Mehrere Module mitTeil der Strukturkompatibilität unterschiedlichen Zellen beschickterEinheiten könnten so zu einer bezüglich derJede zu transplantierende Struktur muss eine Zelltypen heterogenen Struktur aufgebautchirurgischen Anforderungen genugende werden, in Analogie zu co-kultivierten Zellenmechanische Festigkeit aufweisen. Dies trifft der klassischen Zellkulturtechnik,auch für Injektionen, in einem Faden (3, 4, 5))oder als solitäre Partikel zu. Scherkräftedurch das Transportfluid sind von den zu Literaturtransplantierenden Zellen zu ertragen undkomplexe Spannungzustände in einem (1) Wintermantel, E.,Fadenimplantat ebenfalls. Daher wird eine Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen -zwar unter Laborbedingungen sehr Ergebnisse und Ziele. Biomedizinischeerfolgreiche Beschickung oder modifizierte Technik, Band 40, Ergänzungsband 1, 1995,Oberfläche versagen können, wenn die 13-16.Haftung dieser Schicht unter Implantations-bedingungen nicht berücksichtigt wurde. (2) Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen.Implantate für Medizin und Umwelt. E.Um eine durchgehende Entwicklungskette, Wintermantel und S.-W. Ha.. Springer Verlag,die beim Patienten endet, sicherzustellen, 1996,423p.müssen Rahmenbedingungen der späterenklinischen Applikation unbedingt in die (3) Luscher, P., Wintermantel, E., Annen, M.,Forschung Eingang finden. Es können damit Mayer, J., Eckert, K.-L., A new injectableoberf lächenmodif iz ierende Prozesse implant System for drug delivery. Proc. 14thuntauglich werden, die in vitro und auf nicht Pharmaceutical Technology Conf.,komplex gekrümmten konvexen oder Barcelona, Spain, 1995konkaven Freiformflächen beste Ergebnissehervorbringen: (4) Lüscher, P., Wintermantel, E., Annen, M.,Ein Verfahren zur Injektion fadenförmigerSchichten, die als bioaktiv gelten, z. B. aus Implantatmaterialien. BiomedizinischeHydroxylapatit für die Erzielung einer Technik, Band 40, Ergänzungsband 1, 1995,Osseointegration, müssen auch in 395-396.d r e i d i m e n s i o n a l e n Porensystemenabscheidbar sein, wenn spongiöser Knochen (5) Wintermantel, E., Mayer, J., et al. Tissuemit einem geeigneten Träger- und Engineering Scaffolds using superstructures.Füllwerkstoff regeneriert werden soll. Das Biomaterials 17(1995) 83-92.Plasmaspritzverfahren, das genau definierteund reproduzierbare Schichten hoher Haftungauf orthopädischen Implantaten erlaubt,entfällt damit, da der PlasmastrahlHinterschneidungen nicht erreicht.Besonders bei Trägerwerkstoffen, die einekomplexe dreidimensionale Struktur für dieBeeinflussung von Zellen und Gewebenaufweisen, ist die Ver fügung überdurchdringende oberflächenmodifizierendeVerfahren nötig. Oberflächen sind nichtnotwendigerweise freiliegende Oberflächensondern häufig konvexe und konkaveFreiformflächen, die sich innerhalb einergrösseren Struktur befinden, die wiederumaus Gründen der differenzierten undkontrollierten Blutgefässneubildung nötig ist.Nicht nur ist denkbar, kleine Trägerstrukturen,die später injizierbar sind, einzeln, späterauch automatisiert, herzustellen, sondernBiomedizinische Technik · Band 41 · Ergänzungsband 1 · 1996 11

Struktur - und Oberflächenkompatibilität von Werkstoffen

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