Hydroxylapatitbeschichtung für perkutane Silicon- und Titanimplantate

Abb. 1: REM-Aufnahme mit EDX-Spektrum, HAp-Beschichtung auf med. Siliconfolien

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Einleitung:
Implantate mit bioaktiven Beschichtungen werden zunehmend benötigt. Dabei sollte die Oberflächenchemie auf die Aktivität der Zellen abgestimmt werden, so dass eine aktive Wechselwirkung zwischen Implantat und Gewebe entstehen kann.  Perkutane Implantate gewährleisten zum einem die medizinische Versorgung des Körpers zum  anderen übernehmen sie die externe Fixation von Epithesen. Zum Beispiel werden Siliconkatheter wegen ihrer guten Verträglichkeit mit Blut eingesetzt, wobei aber das Anwachsen der Hautzellen an der Außenseite des Katheters verhindert wird. Dadurch kommt es im Bereich der Hauteintrittsstelle immer wieder zu Infektionen, die insbesondere bei immunschwachen Patienten hohe Risiken mit sich führen.  Eine Reduzierung der Infektionsgefahr an der Kathetereintrittsstelle wird heute durch das Inkorporieren von Antibiotika oder antimikrobielle wirkende Mittel wie Silber in die Kunststoffoberfläche erreicht. Eine natürliche bakteriendichte Hautdurchleitung existiert bereits bei einem Tier, dem Hirscheber "Babyrussa", bei dem der Zahn durch die Kutis und Subkutis wächst. An diesem Beispiel orientiert sich diese Forschungsarbeit. Das Ziel ist es, die perkutanen Siliconkatheter und Titanabutments mit dem bioaktiven Hydroxylapatit (HAp) zu beschichten, so dass die Hautzellen während der Wundheilung an der Implantatoberfläche anwachsen können und einen bakteriendichten Durchgang ermöglichen.

Experimentelles

Abb.2: REM-Aufnahmen einer HAp-Beschichtung auf med. Siliconfolie; Hydrothermalbehandelt

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Für die Beschichtung von Silicon und Titan wurde jeweils ein Verfahren entwickelt, das zwischen Raumtemperatur und 150 °C in einer wässrigen Calciumphosphatlösung durchgeführt werden kann. Diese nasschemischen Beschichtungsprozesse erfordern noch zusätzlich eine Oberflächenmodifikation der Substrate für die gezielte Keimbildung. Dies geschieht z.B. durch das RFGD-Verfahren (Plasmaätzung), das die Oberflächenspannung der Substrate erhöht und somit die Keimbildungsenergie von Hydroxylapatit auf den Substraten reduziert. Des Weiteren können mit dem RFGD-Verfahren funktionelle Gruppen an den Oberflächen gebildet werden, die als Ankerpunkte für die Bindung der Calciumphosphatschichten dienen.

HAp-Beschichtung auf Silicon

Die HAp-Beschichtungen der Siliconproben werden entweder durch die Fällungreaktion von Ca(NO ₃)₂ mit (NH₄)₂HPO ₄ im sauren Milieu mit anschließender pH-Werterhöhung oder direkt im basichen Milieu durch die Fällungreaktion von Ca(OH) ₂ mit H₃PO₄ durchgeführt. Hierfür wurde ein spezieller Fällungsreaktor konstruiert, so dass eine zielgerichtete Keimbildung und Kristallisation der Calciumphosphate auf den modifizierten Oberflächen erfolgt. Durch eine anschließende Hydrothermal- behandlung können die Kristalle weiter wachsen.

HAp-Beschichtung auf Titan

Für Für die HAp-Beschichtung auf Titan wurde ein elektrochemisches Verfahren entwickelt, das es erlaubt, innerhalb weniger Minuten eine flächendeckende Schicht durch das Anlegen einer Spannung in einer wässrigen Calciumphosphatlösung herzustellen. Die gebildeten Calciumphoshatschichten werden in einem zweiten Prozess mit Hilfe einer Hydrothermalbehandlung in die Apatitphase umgewandelt. Das patentierte Verfahren ermöglicht insbesondere eine gleichmäßige HAp-Beschichtung von elektrisch leitenden Bauteilen mit geometrisch komplizierten Formen wie beispielsweise bei Schäumen.

Ergebnisse

Abb. 3: REM-Aufnahme der HAp-Beschichtung auf einer aufgerauhten Titanprobe im zweistufigen Herstellungsprozess 1. elektrochemische Beschichtung und 2. Phasenumwandlung durch Hydrothermalbehandlung bei T=150°C und p=3 bar

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Silicone: Der Benetzungswinkel wird mit zunehmender Behandlungsdauer im RFGD-Gerät reduziert. Die Verwendung von Sauerstoff als Plasmagas zeigt eine starke Wechselwirkung mit der Siliconoberfläche. Der Benetzungswinkel der wässrigen Calciumphosphatlösung wird schon innerhalb von 10 s von 95° auf 10° reduziert. 
Die Hydroxylapatitbeschichtung   auf den Silikonoberflächen ist aufgrund der unterschiedlichen E-Moduli   inselförmig, so dass die Flexibilität des Katheters erhalten bleibt.  Zur Charakterisierung der Schichten wurden neben den REM-Aufnahmen mit EDX-Analysen  (Abb. 1) auch XRD, SIMS, XPS, IR- und Raman-Spekroskopie vergewendet.
Prozessparameter wie Druck, Temperatur, pH-Wert und Zeit beeinflussen Keimbildung, Kristallwachstum, Morphologie und Schichtdicke. Insbesondere die Temperatur-Druckbehandlung beeinflusst den Schichtaufbau mit gewünschter Oberflächenchemie und -topographie. Mittels der Hydrothermalmethode sind unterschiedliche Formen der HAp-Kristalle möglich. Abb. 2 zeigt zwei Beispiele einer Kristallzüchtung von HAp. Titan: Die HAp-Beschichtung    wird in einem zweistufigen Prozess durchgeführt. Im ersten Schritt  findet die elektrochemische Beschichtung von Calciumphosphat statt. Die als  Kathode geschaltete Probe wird durch die lokale pH-Erhöhung, die in Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke steht, innerhalb weniger Minuten mit Brushit (CaHPO₄ * 2 H₂O) beschichtet. Als Elektrolyt wird eine reine gesättigte CaP-Lösung verwendet. Die gebildete Schicht wird im  zweiten Schritt durch die Hydrothermalbehandlung bei 150°C in die Apatitphase umgewandelt. Hierbei wird das Implantat gleichzeitig sterilisiert. In Abb. 3 ist eine HAp-Schicht auf Titan abgebildet, die elektrochemisch beschichtet und hydrothermal nachbehandelt wurde.

Biokompatibilität

Die abschließenden in-vitro-Untersuchungen mit humanen Keratinozyten zeigten eine konfluente Zellbesiedlung der mit Hydroxylapatit beschichteten Proben. Weitere Untersuchungen im Bezug der Oberflächentopographie zeigten, dass  rauhe beschichtete Siliconproben eine weitere Verbesserung der Biokompatibilität gegenüber den glatten Proben aufwiesen. Diese erfolgreichen in-vitro-Tests lassen erwarten, dass sich bakteriendichte Katheter auf anorganischer Basis herstellen lassen.