Die Implantation künstlicher Hüft- oder Kniegelenke gehört heute zum chirurgischen Alltag. Ein Problem sind Infektionen in der Nähe der Prothese. Sie verzögern die Einheilung und können die Stabilität der Verbindung zwischen Endoprothese und Knochen dauerhaft beeinträchtigen. Darüber hinaus erhöhen sie für den Patienten das Operationsrisiko.
Eine Lösung könnte die neuartige Beschichtung bieten, die ein Forschungsteam aus Augsburg, Hamburg und München nun entwickelt und getestet haben. Dabei handelt es sich um einen hauchdünnen Überzug aus diamantähnlichem Kohlenstoff, der bei Experten unter dem Kürzel „DLC“ firmiert. DLC-Beschichtungen sind äußerst widerstandsfähig; sie werden daher schon seit vielen Jahren immer dann eingesetzt, wenn Verschleiß und Abrieb minimiert werden müssen. Der Clou der neuartigen Beschichtung liegt aber woanders: „Wir haben sie gezielt mit Zinkoxid-Partikeln dotiert“, erklärt Dr. Christoph Westerhausen vom Lehrstuhl für Experimentalphysik I der Universität Augsburg. „Zinkionen sind für Mikroorganismen toxisch; die Auflösung von Zinkoxid ist zudem stark vom pH-Wert der Lösung abhängig.“
Saurer pH-Wert am Implantat = toxisch
Ist das Zinkoxid in die DLC-Schicht eingebettet, ist es harmlos. Wird die Umgebung jedoch sauer, lösen sich die Nanopartikel in der Gewebsflüssigkeit. Das Zink wird zu einem frei beweglichen Ion und entfaltet sein toxisches Potenzial. Normalerweise ist die Gewebsflüssigkeit neutral bis minimal alkalisch; bei einer Entzündung wird sie dagegen leicht sauer.
Die Forscher testeten die neue Beschichtung, und tatsächlich löste sich das Zinkoxid unter infektionsähnlichen Bedingungen deutlich schneller: Die Beschichtung entließ bei einer Absenkung des pH-Wertes um eine Stufe (was etwa dem typischen Wert bei einem Infekt entspricht) in der Anfangsphase der Freisetzung rund 30 % mehr Zinkionen. In einer noch saureren Umgebung betrug die Steigerung sogar 130 %. In mikrobiellen Tests konnten die Forscher zudem zeigen, dass die Beschichtung Bakterien wirksam in ihrem Wachstum hemmen kann – und zwar vor allem bei einem sauren pH-Wert. Zu den getesteten Mikroben gehörten auch solche, die gegen verschiedene Antibiotika resistent sind und die nach Operationen daher häufiger Probleme verursachen.
Großes Potenzial, Infektionen zu verhindern
Zwar wurden auch Gewebszellen durch die Zink-Ionen geschädigt. „Doch bei ihnen tritt die Wirkung ebenfalls vor allem bei saurem pH auf, also bei einem Infekt“, betont Dr. Westerhausen. „In einer solchen Situation überwiegt aber der Vorteil – nämlich die Abtötung der Bakterien – den Nachteil der Gewebsschädigung bei weitem.“ In weiteren Tests wollen die Wissenschaftler nun verschiedene Parameter der neuen Beschichtung variieren, etwa die Menge der hinzugefügten Zink-Ionen. Sie hoffen so, den Effekt weiter optimieren zu können. Westerhausen: „Wir sehen in unseren DLC-Schichten schon jetzt großes Potenzial, Komplikationen bei der Einheilung von Endoprothesen deutlich zu reduzieren.“
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