Intelligente Bio-Implantate auf dem Vormarsch

Wer kennt nicht die leise Furcht vor dem Arztbesuch, wenn das Ziehen von Fäden ansteht – eine letzte schmerzhafte Erinnerung an die überstandene Operation. Häufig erweist sich die Angst als unbegründet, weil die Prozedur dann doch nicht so starke Schmerzen verursacht wie zunächst befürchtet. Um dem Patienten auch diesen Rest an Unannehmlichkeit zu ersparen, greifen Mediziner, wenn dies möglich ist, auf abbaubare Fäden zurück. Solche Materialien sind bereits seit den 1960er-Jahren auf dem Markt, doch sie eignen sich nicht für jeden Zweck.

„Man hat diese resorbierbaren Produkte bislang aus Materialien gefertigt, die es bereits gab, und nutzte deren günstige Eigenschaften. Heute gehen wir einen anderen Weg: Wir legen fest, welche Eigenschaften wir brauchen, und versuchen dann, ein entsprechendes Material zu entwickeln“, erklärt Professor Heinrich Planck, Leiter des Instituts für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) im schwäbischen Denkendorf. Der Wissenschaftler und seine Kollegen arbeiten ständig daran, Material zu finden, das die Anforderungen moderner Chirurgie erfüllt. Die Denkendorfer Textilforscher entwickeln Operations-Fäden für jeden Bedarf: mit bestimmter Zugfestigkeit, unterschiedlicher Elastizität sowie kürzerer und längerer Abbauzeit.

Maßgeschneiderte Werkstoffe

Als Ausgangsstoffe dienen beispielsweise Milchsäure und Glykolsäure, die zu riesigen Molekülketten verknüpft – in der Fachsprache: polymerisiert – werden. Hochkomplizierte Maschinen stellen endlose Fäden her, die bei manchen Produkten auch in einem speziell entwickelten Prozess miteinander verwoben werden. Lange Zeit hatten abbaubare Fäden einen entscheidenden Nachteil: Weil beim Abbau des Materials Säuren entstanden, reagierte das umgebende Gewebe oft mit Entzündungsprozessen. „Für die Wundheilung kann das zwar positiv sein, manche Gewebearten aber – zum Beispiel die von Nerven – können durch die Säuren auch zerstört werden“, erklärt Planck. Die Mischungen der Ausgangsstoffe sind heute aber so ausgeklügelt, dass sich Operationsfäden zu Wasser und unschädlichem Kohlendioxid zersetzen, das schließlich über die Lunge ausgeatmet wird.

Zahlreiche weitere Eigenschaften sollen nach den Vorstellungen der Forscher die Produkte noch mehr verbessern. Zum Beispiel könnte in Zukunft das Nahtmaterial den Stichkanal vollständig ausfüllen und abdichten oder so beschaffen sein, dass das umständliche Verknoten der Fäden entfällt. „Mit feinen textilen Widerhaken krallen sich solche Fäden selbstständig im Gewebe fest“, erklärt Planck.

Selbstauflösende Schrauben

Doch Chirurgen nähen nicht nur Operationswunden zu, sie schrauben auch und reparieren Knochenbrüche mit Stiften und Platten. Solches „Zubehör“ wird ebenfalls zunehmend aus abbaubaren Materialien hergestellt. Das hat den Vorteil, dass die Teile – im Gegensatz zu Metallimplantaten – nicht in einer zweiten Operation wieder entfernt werden müssen. Sie lösen sich innerhalb weniger Monate bis Jahre rückstandslos auf. „Auf diese Weise wird der Patient nicht noch einmal belastet, und das Gesundheitssystem spart zusätzliche Kosten“, erklärt Professorin Anita Ignatius, Leiterin des Instituts für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik der Universität Ulm.

Die Materialforscher drückt aber ein Problem: „Kunststoff hat bei Weitem nicht die gleiche Festigkeit wie Metall“, weiß Ignatius. So können die abbaubaren Schrauben und Stifte nur in unbelasteten Körperregionen wie etwa im Mund-Kiefer-Gesichtsbereich zur Anwendung kommen. Um die Stabilität der Implantate zu erhöhen, arbeiten die Wissenschaftler an neuen Materialmischungen. „Man verwendet nun Komposite, das sind Materialien, die neben Polymeren auch abbaubare Keramik enthalten“, erklärt die Ulmer Expertin. Dadurch lässt sich die Festigkeit verbessern – allerdings nur innerhalb gewisser Grenzen.

Diesen Weg gehen auch Wissenschaftler am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen. Das Team um Dr. Philipp Imgrund hat Schrauben entwickelt, die neben Polymilchsäure Kalziumphosphat enthalten, einen Hauptbestandteil des natürlichen Knochens. „Diese bioaktiven Schrauben werden im Lauf der Zeit resorbiert und regen gleichzeitig das Wachstum neuen Knochenmaterials an“, erklärt Imgrund. Dank eines speziellen Fertigungsverfahrens werden biomechanische Eigenschaften erreicht, die denen des natürlichen Knochens sehr nahekommen. Die Schrauben aus dem synthetischen Material ermöglichen sogar eine relativ hohe Druckbelastung und können daher bei Knieoperationen eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil: Auf MRT-Bildern erlauben sie dem behandelnden Arzt eine bessere Kontrolle, weil die Umgebung deutlicher abgebildet wird als bei den bisher üblichen Titanschrauben. In ungefähr zwei Jahren soll die Neuentwicklung marktreif sein.

Schaum für den Knochen

Für größere Knochenschäden wie zum Beispiel bei fortgeschrittener Osteoporose reichen Schrauben, Stifte und Platten nicht aus. Spezielle großporige Schäume sollen das fehlende Knochengewebe dann vorübergehend ersetzen und dem Körper die Regeneration ermöglichen. „Bei der Entwicklung solcher Produkte müssten die Forscher viele Voraussetzungen beachten“, erläutert Anita Ignatius. „Das Material muss das Loch im Knochen ausfüllen, eine gewisse mechanische Funktion erfüllen, das Einwachsen von Knochengewebe ermöglichen und sich in einer der Heilung angepassten Zeit abbauen.“ Darüber hinaus seien auch Anforderungen wie Sterilisierbarkeit und Lagerfähigkeit zu beachten.

Die Ulmer Forscher wollen den funktionalen Biomaterialien sogar noch mehr „intelligente“ Eigenschaften verleihen. So sollen die Knochenersatzstoffe künftig das Gewebe aktiv bei der Heilung unterstützen. Dazu entwickeln die Experten Materialien, an die Wachstumsfaktoren gebunden sind, welche die Knochenheilung vorantreiben. „Ein anderer Ansatz sind ,Drug-Release‘-Systeme, die Arzneistoffe ganz gezielt und kontrolliert freigeben und damit die Heilung fördern“, erklärt Ignatius. Letzteres könnte auch mit Bindungsproteinen gelingen, die Zellen das Anhaften erleichtern. Die Beschichtung mit Antibiotika oder anderen antibakteriellen Wirkstoffen sei ebenfalls ein Ziel zukünftiger Entwicklungen.

Nerven gezielt wachsen lassen

Auch die Textilexperten des IVT gehen noch andere spannende Wege. Dr. Michael Doser, stellvertretender Direktor und Entwicklungsleiter für Biomaterialien, ist zuständig für die Erforschung einer Nervenleitschiene. „Dabei handelt es sich um einen winzigen porösen Schlauch“, erklärt Doser. Dieser soll es ermöglichen, Nerven, die bei einem Unfall durchtrennt wurden, wieder gezielt auswachsen zu lassen. Dazu wird die Schiene mit den abgetrennten Nervenenden vernäht. Durch die porösen Wände wird der Nerv mit Nährstoffen versorgt, größere Objekte wie Zellen können jedoch nicht durch die feinen Poren dringen. Dadurch kann sich kein Narbengewebe bilden und das Nervenwachstum verhindern. „Zwar gibt es schon ähnliche Produkte auf dem Markt, sie haben aber noch Schwächen“, sagt Doser. „Entweder sind sie aus Silikon und stören irgendwann, oder sie sind resorbierbar, bauen aber zu schnell ab oder bilden schädliche Säuren.“ Die Neuentwicklung aus Trimethylencarbonat und Caprolacton dagegen ist so weich wie ein natürlicher Nerv und lässt sich problemlos mit dem Nervenende vernähen. Bis die Schiene auf den Markt kommt, wird es aber noch dauern. Doser schätzt, dass erste klinische Studien in etwa vier Jahren beginnen könnten.

Naturähnliche Kunsthaut

Die Haut aus Biokunststoffen hat diesen Weg bereits hinter sich. Heinrich Planck ist darauf besonders stolz: „Wir haben ein Material geschaffen, das wie die natürliche Haut Barriere- und Membraneigenschaften vereint.“ Flüssigkeiten und Wasserdampf können die hauchdünne Folie aus Milchsäurepolymer durchdringen, Bakterien werden ferngehalten. Das Material, das sich bei Körpertemperatur an die Hautoberfläche anschmiegt und mit der Wunde verklebt, löst sich nach der Abheilung schmerzfrei wieder ab.

Kliniken für Brandverletzte nutzen das Produkt bereits. Planck möchte aber noch weitere Anwendungsgebiete dafür erschließen: „Besonders nach Darmoperationen oder gynäkologischen Eingriffen kommt es häufig zu Verwachsungen, die zu Schmerzen oder Unfruchtbarkeit führen können. Auf Basis der künstlichen Haut wollen wir eine Folie entwickeln, die während der Operation eingelegt wird und solche Verwachsungen verhindert“, erklärt der Textilforscher. Auch die Anwendung bei schwer heilenden Wunden stehe im Fokus. Erste Studienergebnisse seien in beiden Fällen vielversprechend.