Zusammenfassung
Sowohl die chemische Komposition eines Werkstoffes als auch dessen Oberflächenstruktur und -topografie beeinflussen ganz wesentlich die Wirkungen von Implantaten im Körper. In der Orthopädie und Unfallchirurgie leisten sie hierdurch einen wichtigen Beitrag zur Lösung der aktuellen und zukünftigen Herausforderungen. Besonders hoch sind die Anforderungen für Implantate mit dauerhafter Anwendung am Knochen. Diese sind neben der Materialalterung durch oxidative Prozesse zusätzlich zyklischen Belastungen und damit einem biomechanischen Verschleiß ausgesetzt. Gegenwärtig werden insbesondere Strategien verfolgt, das Risiko implantatassoziierter immunogener Unverträglichkeiten zu minimieren sowie die Inzidenz periprothetischer Infekte weiter zu senken. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über die hierzu eingesetzten Oberflächenmodifikationen und deren Wirkprinzipien. Darüber hinaus werden aktuelle Entwicklungsstrategien für die gezielte klinische Anwendung von Implantatoberflächen skizziert.
Abstract
The chemical composition, surface structure and topography of a biomaterial have an essential influence on the effects of an implant in the human body. In orthopedic and trauma surgery they make a relevant contribution to solve the current and future challenges. Particularly high are the requirements of permanent implants in bone. Besides material aging due to oxidation, implants are subjected to cyclic loading that leads to relevant biomechanical wear and abrasion. To date significant efforts have been made to minimize adverse implant-associated immunoreactions as well as the risk of periprosthetic infections. This review gives an overview of surface modifications of implants designed for clinical application and their effects in vivo. Beside material-specific and biological principles, different surface modifications for distinct clinical applications are presented. Furthermore, current developmental strategies for the targeted clinical application of implant surfaces are outlined.
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Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Ethics declarations
Interessenkonflikt
M. Jäger gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Dieser Beitrag beinhaltet keine vom Autor durchgeführten Studien an Menschen oder Tieren.
Additional information
Redaktion
C. Chiari, Wien
R. von Eisenhart-Rothe, München
H. Gollwitzer, München
J. Grifka, Bad Abbach
M. Jäger, Essen
A. Meurer, Friedrichsheim
Appendices
Abkürzungsverzeichnis
CME-Fragebogen
Unerwünschte Immunreaktionen auf metallische Oberflächen in der Endoprothetik („Metallallergie“) …
entstehen durch korpuskuläre Abriebpartikel sowie durch die Freisetzung von Ionen.
können zur Bildung von Pseudotumoren führen.
sind histologisch durch eine Ansammlung von perivaskulären Lymphozyten charakterisiert.
unterscheiden sich von der kutanen Kontaktallergie (Reaktion vom verzögerten Typ).
Alle Aussagen sind richtig.
Typische Herausforderungen in der Beschichtungstechnologie von Peptiden auf Implantatoberflächen vor der klinischen Erprobung sind …
kovalente Anbindung.
Isolation von Peptiden.
Abstoßungsreaktionen.
Sterilisierbarkeit, Lagerungsfähigkeit und Stabilität in vivo.
Keine Aussage trifft zu.
Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung handelt es sich um …
ein Sterilisationsverfahren durch heiße Gase.
einen Prozess, bei dem die Porosität einer Implantatoberfläche vergrößert wird.
ein Verfahren, bei dem Atome bei sehr hohen Temperaturen in die Gasphase überführt und dann durch das Anlegen eines Gleichstromes auf einer Implantatoberfläche abgeschieden werden.
eine Methode, welche die Adhärenz grampositiver Bakterien auf der Werkstoffoberfläche minimiert.
ein elektrophoretisches Verfahren, bei dem Kalziumphosphate auf der Implantatoberfläche abgeschieden werden.
Nanospikes …
können durch ihre scharfen Spitzen die Wand gramnegativer Bakterien zerstören und innerhalb weniger Minuten zur Apoptose führen („physical death“).
sind der Lage, die Wand grampositiver und -negativer Bakterien irreversibel schädigen.
besitzen eine gute antimikrobielle Aktivität gegenüber Mykobakterien.
werden aktuell auf zahlreichen Implantatsystemen in der Orthopädie und Unfallchirurgie klinisch eingesetzt.
bewegen sich in ihrer Größendimension deutlich über der von Zellen und Zellbestandteilen.
Bei der partikelinduzierten periimplantären Osteolyse kommen folgende Prozesse vor:
Die Gewebereaktionen vor Ort hängen nicht von der Menge an freigesetzten Partikeln und deren Größe ab.
Der Befestigungsmechanismus und die Versiegelung von Inlays bei metallischen Implantaten spielen keine Rolle bei der Implantatlockerung.
Die Freisetzung von Abriebpartikeln führt zur septischen Lockerung mit der Bildung reaktiver Sauerstoffmoleküle.
Die Akkumulation von Abriebpartikeln kann zu einer sog. „aseptic lymphocyte-dominated vasculitis-associated lesion“ (ALVAL) führen.
Bei der Artikulation beweglicher Teile in der Endoprothetik ist die Bildung von Verschleiß und Abrieb mittlerweile kein Problem mehr.
Hinsichtlich der Metallionen in Implantatoberflächen gilt nach heutigem Wissen:
Co (II) und V (III) sind nicht zytotoxisch.
Co (III) besitzt kein mutagenes Potenzial.
Die im klinischen Einsatz befindlichen Legierungen lassen eine Freisetzung von Co‑, V‑, Cd‑, Fe- und Ni-Ionen in relevantem Maß zu.
Titanium-Niobium-Nitrid(TiNbN)-Beschichtungen in der Knieendoprothetik verringern die Benetzbarkeit mit synovialer Flüssigkeit und sind weicher als Titanoxidoberflächen
In der Pathogenese der sog. „Metallallergie“ kommt nicht nur erhöhten Ionenkonzentrationen, sondern insbesondere den Abriebpartikeln eine große Bedeutung zu.
Titan-Aluminium-Nitrid(TiAlN)-Beschichtungen …
werden durch PVD aufgetragen.
erscheinen nicht gelb, sondern dunkelviolett bis schwarz/anthrazit glänzend.
zeigen wie andere keramische Oberflächen eine hohe Verschleißfestigkeit gegenüber PMMA-Knochenzement.
dürfen nicht mit der metallhaltigen, amorphen Diamond-Like-Carbon(DLC)-Beschichtung verwechselt werden.
Alle obigen Aussagen treffen zu.
Hinsichtlich der antimikrobiellen Wirkung von Implantatoberflächen gilt:
Eine direkte Bekämpfung von Biofilmen durch Biozide ist in der Implantologie möglich.
Der Einsatz von lokalen Antibiotika ist nur von begrenzter Wirkung und fördert die Bildung von Resistenzen.
Die ermittelten Daten zur minimalen Hemmkonzentration von Antibiotika beziehen sich in der Regel auf das bakterielle Leben im Biofilm (sessile Form).
Eine bakterielle Besiedelung geschieht in der Regel spät und hämatogen.
Der Bakterientransport zur Oberfläche des Implantates erfolgt durch eine aktive gerichtete Bewegung der Bakterienzellwand.
Typische Strategien zur Vermeidung von implantatassoziierten Infektionen sind:
Die präventive Vermeidung der bakteriellen Adhäsion durch antiadhäsive Polymere, Albumin, superhydrophobe oder nanostrukturierte Oberflächen sowie durch Hydrogele
Die Beschichtung zementfreier Endoprothesen mit ionischem Kupfer
Die ausgedehnte Jet-Lavage der Implantatoberfläche vor dem Wundverschluss
Die Verwendung von Ultraschall in situ
Die lokale Anwendung von Chloramphenicol bei Einbringen des Implantates
Welche der im Folgenden angeführten Substanzen eignet sich nicht für die antimikrobielle Funktionalisierung von Oberflächen?
Rekombinantes humanes β‑Defensin 2
GL13K aus der Speicheldrüse
Glykol
Chlorhexidin
Gentamycin
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Jäger, M. Oberflächenmodifikationen von Implantaten. Teil 2. Orthopäde 47, 445–458 (2018). https://doi.org/10.1007/s00132-018-3560-5
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DOI: https://doi.org/10.1007/s00132-018-3560-5