Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und der guten Biokompatibilität vielversprechende Materialien für die Anwendung in der Medizin. Ihre Degradation in physiologischer Umgebung ermöglicht die Entwicklung bioresorbierbarer Implantate. In Zusammenarbeit mit den Universitätskliniken in Hamburg, Hannover und Graz, dem IBA Heiligenstadt sowie weiteren Partnern hat das Helmholtz-Zentrum Geesthacht eine Forschungsinitiative zu Magnesium-Implantaten initiiert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der antimikrobiellen Modifizierung des Magnesiums durch Silber.
Silber kann die Besiedelung und Vitalität von Bakterien reduzieren und so die Infektionsgefahr senken. Allerdings wird auch die Korrosionsgeschwindigkeit von Magnesium durch den Silberanteil erhöht. Durch Gadolinium als weiteres Legierungselement lässt sich jedoch die Geschwindigkeit der Korrosion beeinflussen. Damit ist es möglich, die Korrosion und Bioresorption von Magnesium an die erforderliche Zeit der Implantatbeständigkeit anzupassen, ohne auf den infektionshemmenden Effekt von Silber verzichten zu müssen.
Untersuchung im Bioreaktor
Im Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik (iba) e.V. in Heilbad Heiligenstadt wurden dabei die Korrosionsmechanismen mit Hilfe der Impedanzspektroskopie als elektrochemisches Messverfahren sowie die Biofilmbildung durch Staphylokokken als typische Keime auf Implantaten unter den Bedingungen der Magnesiumkorrosion untersucht. Zur Simulation der Bedingungen, denen die Implantate im Körper ausgesetzt sind, wurde ein Laborbioreaktor eingesetzt. Er ermöglicht die Steuerung der für die Korrosion wichtigen Parameter Temperatur, pH-Wert und Sauerstoffgehalt.
Die Bildung eines Biofilmes unter dem Einfluss korrodierender Magnesiumimplantate wurde mit einem einem in vitro-Biofilmsimulationssystem getestet, das aus am Bioreaktor angekoppelten Fließkammern besteht und durch die eine Suspension aus Medium und Staphylokokken über die zu testenden Magnesiumimplantate geleitet wird.
Prüfung mit Hilfe von Impedanzspektroskopie
Die Ergebnisse der Tests zeigen, dass die Adhäsion von Staphylokokken und deren Vitalität mit steigendem Silbergehalt in den Magnesiumlegierungen signifikant sinkt. Je höher der Silbergehalt ist, umso schneller korrodieren aber auch die Magnesiumlegierungen. Impedanzspektroskopische Daten weisen darauf hin, dass dies die Folge einer verstärkten Lochfraßkorrosion bei Legierungen mit hohem Silbergehalt ist.
Die Beimischung von Silber in Magnesiumimplantate kann somit die Biofilmbildung und damit die Infektionsrisiken durch Bakterienadhäsion an künstlichen Implantatoberflächen reduzieren. Die Untersuchungen zeigen auch, dass die Kombination von Impedanzspektroskopie mit der biotechnologischen Kultivierung eine sichere und reproduzierbare Prüfung von Magnesiumlegierungen im Hinblick auf ihr Degradationsverhalten und potenzielle antimikrobielle Effekte ermöglicht.
https://doi.org/10.1155/2017/8091265
