Implantate: Therapieerfolge durch biologisierte Oberflächen

Guter Draht zum Gewebe

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Ob Hüftprothesen, Stents oder Schrauben – bei jedem künstlichen Material im Körper ist die Verträglichkeit entscheidend. Wie gut ein Implantat vom angrenzenden Gewebe angenommen wird, hängt häufig von der Oberfläche und deren Beschichtung ab. Vor allem an Gefäßprothesen wird geforscht.
In der Kardiologischen Klinik des Herz- und Diabeteszentrums Nordrhein-Westfalen, Bad Oeynhausen, wurde im Frühjahr erstmals ein selbstexpandierbarer Stent mit Medikamentenbeschichtung bei einem Patienten erfolgreich implantiert. „Wir sind sehr stolz darauf, dass dieser innovative Stent zum ersten Mal außerhalb einer klinischen Studie bei uns zum Einsatz gekommen ist“, sagt Prof. Dieter Horstkotte, Klinikdirektor der Kardiologischen Klinik. Der erste Einsatz einer selbstexpandierenden, medikamentenbeschichteten Gefäßprothese gibt rund 1,5 Millionen Patienten, die in Deutschland an einer Erkrankung der Herzkranzgefäße (koronare Herzkrankheit) leiden, neue Hoffnung.
„Die weltweit einzigartige Kombination aus selbstexpandierendem Metall-Stent als Stabilisator des Gefäßes und einer entzündungshemmenden Medikamentenbeschichtung ist ein deutlicher Fortschritt für die Behandlung von Patienten mit akutem Herzinfarkt und koronarer Herzkrankheit“, erläutert Oberarzt Doktor Marcus Wiemer, Leiter des Herzkatheterlabors. Mit einer Länge von 22 bis 27 mm ist der Stent nur so groß wie ein Fingernagel. Dank der medikamentösen Beschichtung werden vorhersehbare Entzündungsreaktionen in der Gefäßwand und die daraus entstehende Narbengewebebildungen deutlich reduziert. Die Nickel-Titan-Legierung (Nitinol) des Stents besitzt außergewöhnliche Form-Gedächtnis-Eigenschaften sowie eine Superelastizität: „Dank dieser Eigenschaften ist auch ein nachträglicher Zugang zu den wichtigen Seitengefäßen möglich, nachdem die Prothese im Hauptgefäß platziert worden ist. So können Verengungen in den extrem engen Verästelungen der Herzkranzgefäße behandelt werden, was die Versorgung des Seitengefäßes mit Blut zusätzlich verbessert“, so die Kardiologen.
Bei dem bislang angewandten Verfahren wird der Stent durch einen Ballon an die Gefäßwand gepresst. Die selbstexpandierenden Stents unterscheiden sich davon durch die Eigenschaften des Nitinols. Die Aufdehnung des Gefäßes erfolgt nach Einbringen des Stents dauerhaft durch eine beständige auswärtsgerichtete Kraft des Nitinol-Netzes gegen die Gefäßwand. Dies führt zu einer schonenden Gefäßwiedereröffnung sowie zu einer vollständigen Ausdehnung und Anpassung an die ursprüngliche Gefäßweite.
Wenn sich Herzgefäße durch Ablagerungen in den Adern verengen, können Adern verstopfen – eine Thrombose bildet sich aus, die zum Herzinfarkt führen kann. Stents erweitern die Adern, und der Blutfluss ist wieder ungehindert möglich.
Aber auch an diesen Schläuchen lagern sich nach einiger Zeit wieder Zellen und Blutbestandteile ab – das Gefäß verengt sich erneut. Saarbrücker Forscher untersuchen zur Zeit in einem internationalen Verbundprojekt, wie sie die Oberfläche dieser Schläuche so verändern, dass sich ungewünschte Bestandteile dort nicht mehr anlagern können. Unter der Federführung des INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien arbeiten Forscher an Beschichtungsverfahren, die die Schlauchwände glätten und für den Körper gut verträglich machen. Das Verbundprojekt Nano4stent wird im Rahmen des internationalen Kooperationsnetzwerks Koranet von der EU gefördert.
Die Spezialisten am INM verwenden bei ihrer Forschung ein spezielles Verfahren: So wie sich Wasserdampf am kalten Topfdeckel in Tropfen gleichmäßig bildet, bilden die Entwickler die Beschichtung auf der Schlauchoberfläche. „Unser Ziel ist es, die Oberfläche der Schläuche ganz gleichmäßig mit einer Schutzschicht zu überziehen“, erklärt Cenk Aktas, Leiter des Programmbereichs „CVD/Biooberflächen“. Dafür wird die Oberfläche erst künstlich durch Laserbehandlung mit kleinen Mulden versehen. Wenn jede Mulde und die gesamte Oberfläche der Schläuche perfekt ausgekleidet sind, haben unerwünschte Bestandteile keine Chance mehr, mit der Oberfläche des Schlauches zu reagieren und dort anzuhaften.
Die klinisch erwünschten Wechselwirkungen von Implantaten und chirurgischen Instrumenten mit dem menschlichen Gewebe sind klar definiert. Ausschlaggebend für die Reaktionen des Empfängergewebes auf Fremdmaterialien und somit für die biologische Eignung von Produkten für den medizinischen Bereich sind neben den mechanischen Spezifikationen vor allem die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Oberflächen.
Eine Lösung hierfür sind die vom INM hergestellten Schichten aus Übergangsmetall-Oxiden und -Karbonitriden, die neben nachgewiesener Biokompatibilität auch die notwendigen Schichteigenschaften für technische Anwendungen besitzen. Die Zellverträglichkeit der TiO2-, ZrO2- und ZrCN-Beschichtungen wurde bereits für Osteoblasten, Endothelzellen und Verofibroblasten getestet. Neben der Beschichtung von metallischen und keramischen Produkten können in den zur Verfügung stehenden Plasma-CVD-Anlagen auch Beschichtungen auf temperaturempfindlichen Materialien wie organische Polymere aufgebracht werden.
Der weltweite Markt für kardiovaskuläre Implantate beträgt nach aktuellen Schätzungen rund 15 Mrd. US-$ – ist also ausgesprochen attraktiv. Zudem wächst die Bedeutung von Beschichtungstechniken für Katheter und Stents, weil sie unter anderem neuartige und individualisierte Arzneimitteltherapien möglich machen. „Beschichtungen erhöhen die Funktionalität, Lebensdauer und die Kosteneffizienz, verbessern die Führung und Positionierung entsprechender Teile, zudem erleichtern sie die Handhabung und verringern das Risiko des Patienten für Verletzungen“, so Prof. Hans-Wilhelm Engels, Leiter des Innovation Community Counsel und Forschungsleiter im Bereich Lacke, Klebstoffe, Spezialitäten bei Bayer MaterialScience.
Als Beschichtungsmaterialien kommen hydrophile und gleitfähige Polymere wie Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyethylenglykol/Polyethylenoxid (PEG/PEO), Polyvinylalkohol (PVA) sowie Hyaluronsäure in Frage. Da diese Verbindungen häufig wasserlöslich sind, müssen sie durch Vernetzung stabilisiert werden.
Das Unternehmen hat mit Baymedix CD 500 eine neue Beschichtung vorgestellt, in die Wirkstoffe eingebaut werden können. Diese stabilen Überzüge ermöglichen die programmierbare Freisetzung einer Vielzahl verschiedener Wirkstoffe, von kleinen Molekülen bis hin zu Proteintherapeutika. Die Biokompatibilität dieser Systeme wurde sowohl durch In-vitro- als auch In-vivo-Tests nachgewiesen. „Darüber hinaus arbeiten wir bereits an optimalen Systemen für bioabbaubaren Stents“, erläutert Prof. Engels.
Ebenfalls mit Stent-Beschichtungen beschäftigt sich die Rubröder GmbH Factory Automation. Das Tischsytem MediCoat von Sonotek, das bei dem Bendorfer Beschichtungsspezialisten zum Einsatz kommt, eignet sich zum Beschichten von arteriellen Stents mit Polymeren, die Anti-Restenosemedikamente enthalten. Das System ist mit einer Microspray Vernebelungsdüse ausgestattet. Mit Hilfe von unter leicht erhöhtem Druck stehendem Gas wird ein weicher, genau fokussierter Strahl kleiner Tröpfchen in einem Sprühnebel erzeugt. Das typischerweise unter einem Druck von 1 PSI stehende, komprimierte Gas wird in die Diffusionskammer des Luftmantels geführt, so dass ein gleichmäßig verteilter Luftstrom um die Vernebelungsfläche entsteht. Der per Ultraschall erzeugte Sprühnebel wird sofort in den Luftstrom hineingezogen. Ein an der Luftummantelung angebrachter Fokussiermechanismus ermöglicht die genaue Einstellung der Breite des Sprühstrahls. Der Stent wird manuell auf das Rotiersystem geladen und mit einer durch den Benutzer vorgegebenen Geschwindigkeit gedreht und in horizontaler Richtung von einer Seite zur anderen Seite unterhalb des Zielbereiches bewegt. Dabei ist die Anzahl der horizontalen Bewegungen programmierbar. Eine Absaugung niedriger Geschwindigkeit, die unterhalb des Sprühbereiches angebracht ist, sorgt dafür, dass unerwünschter Nebel außerhalb des Zielbereiches entfernt wird und nur der Stent die Beschichtung erhält, die für ihn vorgesehen ist.
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