Biohybride antibakterielle Beschichtung von oberflächenmodifizierten Zahnimplantaten aus Titan zur Verhinderung bakterieller Infektionen (BioHyB)

Problemstellung
Entzündungen des Zahnfleisches nahe einem Implantat, sogenannte periimplantäre Infektionen, zählen zu den häufigsten Komplikationen nach der Implantation. Diese sind hauptsächlich auf bakterielle Kontaminationen beziehungsweise Bakterienansiedlung am Implantat zurückzuführen. Neben den Zahnfleischentzündungen ist eine schlechte Knochenverwachsung (Osseointegration) der Grund für postoperative Komplikationen. Um die Osseointegration durch Vergrößerung der Oberfläche zu beschleunigen, können auf den Implantaten poröse beziehungsweise schwammartige Oberflächen mittels Plasma-Elektrolyt-Oxidation (PEO) erzeugt werden. Diese begünstigen jedoch auch die Besiedlung der Implantatoberfläche mit Bakterien, wodurch wiederum das Risiko für periimplantäre Infektionen erhöht wird. Bislang gibt es noch keine Technologie, die die Osseointegration fördert bei gleichzeitiger aktiver Vermeidung von Entzündungen.

Ziel
Das Ziel des Forschungsvorhabens BioHyB ist es Oberflächen, am Beispiel von Titan-Zahnimplantaten, mit einer Kombination aus mikrostrukturierter, antimikrobieller und biohybrider Beschichtung zu versehen, welche die Ansiedlung von Bakterien verhindert. Dabei zielt der Einsatz der Mikrostrukturierung darauf ab, die Resistenz der Beschichtung gegenüber externen Einflüssen, wie abrasivem Verschleiß, zu erhöhen. So kann die Lebensdauer der Beschichtung gesteigert und ihre Funktionalität möglichst langfristig gewährleistet werden.

Vorgehensweise
Dazu werden Technologien aus der Biotechnologie, wie das Protein Engineering, der makromolekularen Chemie und der Oberflächenchemie und -physik zusammengeführt. In einem integrativen Projektansatz wird eine hochentwickelte Produktionstechnik in Kombination mit dem Know-how der Anwendungspartner erarbeitet. Im ersten Schritt wird die Identifikation, Entwicklung und Parametrisierung von Fertigungstechnologien zur Erzeugung von geeigneten Oberflächenstrukturen vorgenommen. Im Anschluss erfolgt die Materialforschung einer bioaktiven, antibakteriellen Beschichtung und deren Integration in bestehende PEO-Beschichtungen zur Verbesserung der Osseointegration. Dazu wird ein bioaktiver Baustein zur Erzeugung der antibakteriellen Beschichtung erarbeitet. Abschließend werden die Bewertung und Optimierung der biologischen Wirksamkeit der Beschichtung unter anwendungsnahen Bedingungen durchgeführt. Die beispielhafte Umsetzung erfolgt anhand einer Beschichtung auf strukturierte Implantatbauteile und deren Zusammenführung in ein Titan-Zahnimplantat.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Das Projekt BioHyB ist ein Leuchtturmprojekt für die Produktion von langlebigen, innovativen und oberflächenfunktionalisierten Implantaten. Die Integration biohybrider, maßgeschneiderter und funktionaler Materialien auf strukturierten Produktoberflächen wird es zukünftig ermöglichen, Medizintechnikprodukte weitgehend keimfrei zu halten. Hiermit werden Infektionen und die Notwendigkeit einer erneuten Operation verringert oder gar verhindert. So wird es möglich sein, langfristig weitere nachhaltige Medizinproduktlösungen zur Vermeidung periimplantärer Komplikationen zu etablieren.

• DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V.
• RWTH Aachen