Biomaterialien
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Biomaterialien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1 Biomaterialien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 2 Biomaterialien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 3 Biokompatibilität von Werkstoffen Biofilme Sterilisation Dr. Thomas Hanke, IfWW/MBZ, AG Biomimetische Materialien und Biomaterialanalytik Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 4 Biokompatibilität Bezug zu anderen Vorlesungen: 1. 2. 3. 4. EZM & Zellantwort Blutkontakt & Immunantwort Gewebsreaktionen Alterung & Degradation 5. Oberflächenmodifizierung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 5 Biokompatibilität 1. "The ability of a material to perform with an appropriate host response in a specific application", Williams' definition. European Society for Biomaterials Consensus Conference "The Williams Dictionary of Biomaterials“ David Williams Editor-in-Chief “Biomaterials” Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 6 Biokompatibilität • "The quality of not having toxic or injurious effects on biological systems". (Dorland Medical definition) Not recommended according to Williams Dictionary since it only defines biocompatibility as the absence of host response and does not include any desired or positive interactions between the host tissue and the biomaterials 3. "Comparison of the tissue response produced through the close association of the implanted candidate material to its implant site within the host animal to that tissue response recognised and established as suitable with control materials" – ASTM (American Society for Testing and Materials) Not recommended according to Williams Dictionary since it only refers to local tissue responses, in animal models. systemische vs. lokale Regulierung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 7 Biokompatibilität Verträglichkeit zwischen einem technischen und einem biologischen System Eigenschaft, in einer biologischen Umgebung eine gewünschte Funktion zu erfüllen und im Idealfall keine schädliche Reaktion des Wirtsgewebes auszulösen Strukturkompatibilität vs. Oberflächenkompatibilität Statische vs. dynamische Kompatibilität Systemische vs. lokale Regulation Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 8 Biokompatibilität BiomaterialKlassifizierung Allgemeine Gewebsreaktion toxisch Nekrose des Gewebes inert Gewebe bildet eine Bindegewebskapsel um das Biomaterial bioaktiv Gewebe bildet eine Bindung mit dem Biomaterial aus resorbierbar Gewebe ersetzt Biomaterial Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 9 Biokompatibilität Biomaterialien und Komponenten • Bei der Herstellung verwendete Materialien • Vorbedachte Additive, durch den Prozess verursachte Verunreinigungen, Rückstände • Laugbare Substanzen • Degradationsprodukte • Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten im Endprodukt • Eigenschaften und Charakteristiken des Endproduktes Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 10 Biokompatibilität Oberflächenkompatibilität: Anpassung der • chemischen* (z.B. reaktive funktionelle Gruppen vs. inerte Oberfläche), • physikalischen* (z.B. hydrophil vs. hydrophob; Oberflächenladungen), • biologischen* (z.B. bioaktiv vs. bioinert; steril vs. unsteril) und • morphologischen* (z.B. glatt vs. rauh, unstrukturiert vs. strukturiert) Oberflächeneigenschaften des Biomaterials an das Empfängergewebe mit dem Ziel erwünschter Wechselwirkungen *Zuordnungen z.T. willkürlich und gegenseitig überschneidend Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 11 Biokompatibilität Strukturkompatibilität: Anpassung der Implantatstruktur, des inneren Aufbaus, an das mechanische Verhalten des Empfängergewebes • durch Formgebung und • durch Erzeugung eines geeigneten Gefüges Mechanotransduktion Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 12 Strukturkompatibilität - Mechanotransduktion Victor W. Wong et al. FASEB J. 25, 4498–4510 (2011) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 13 Strukturkompatibilität - Mechanotransduktion Victor W. Wong et al. FASEB J. 25, 4498–4510 (2011) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 14 Strukturkompatibilität - Mechanotransduktion K Yamamoto et al.: Oral Diseases (2011) 17, 712–719 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 15 Strukturkompatibilität - Mechanotransduktion Monozyten Osteoklasten Osteoblasten Receptor Activator of NF-κB Osteoprotegerin Fusion & Differenzierung Aktivierung TGF-ß,IL‘s RANK OPG RANK-L Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 16 Strukturkompatibilität http://www.bglerch.asn-ktn.ac.at/physik/mikroskop/REM.htm Anpassung der Implantatstruktur, des inneren Aufbaus, an das mechanische Verhalten des Empfängergewebes β-Titan unterschiedliches Adsorptionsverhalten von Proteinen -Titan β-Titan-Legierung mit -Titan-Ausscheidungen Gefüge bestimmt Volumen und Oberfläche Wichtig für Struktur- und Oberflächenkompatibilität Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 17 V. Brailovski et al. / Materials Science and Engineering C 31 (2011) 643–657 Strukturkompatibilität •durch Formgebung und •durch Erzeugung eines geeigneten Gefüges durch Legierung erzeugtes geeignetes Gefüge Ti-Nb-Zr Formgebung Formgebung Gefüge bestimmt Volumen und Oberfläche Wichtig für Struktur- und Oberflächenkompatibilität Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 18 V. Brailovski et al. / Materials Science and Engineering C 31 (2011) 643–657 Strukturkompatibilität E=45…55 GPa E=1.5…5 GPa Ti-Nb-Zr Gefüge bestimmt Volumen und Oberfläche Wichtig für Struktur- und Oberflächenkompatibilität Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 19 Strukturkompatibilität Komposite (Dreiphasen Verbundwerkstoff) durch Zusammensetzung geeignetes Gefüge Xerogele Formgebung Heinemann S, Coradin T, Worch H, Wiesmann HP, Hanke T: Composites Science and Technology 71 (2011) 1873–1880 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 20 Strukturkompatibilität Signifikanter Einfluss des Kollagenanteils auf die mechanischen Kennwerte der Kompositxerogele Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 21 Strukturkompatibilität Kennwerte der Kompositxerogele liegen zwischen denen von humaner Kortikalis und Spongiosa Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 22 Strukturkompatibilität Signifikanter Einfluss des Kollagenanteils auf die mechanischen Kennwerte der Kompositxerogele Strukturkompatibilität Sikmanis R, Heinemann S, Simon P, Mensch A, Worch H, Hanke T: TEM-Untersuchungen zur Silikat-Kollagen-Wechselwirkung in Kompositmaterialien für den Knochenersatz; DGBM-Jahrestagung 2012, Hamburg 1.-3. 11. 2012 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 23 Strukturkompatibilität Signifikanter Einfluss des Kollagenanteils auf die mechanischen Kennwerte der Kompositxerogele Strukturkompatibilität Sikmanis R, Heinemann S, Simon P, Mensch A, Worch H, Hanke T: TEM-Untersuchungen zur Silikat-Kollagen-Wechselwirkung in Kompositmaterialien für den Knochenersatz; DGBM-Jahrestagung 2012, Hamburg 1.-3. 11. 2012 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 24 Oberflächenkompatibilität Signifikanter Einfluss des Kollagenanteils auf die MaterialZell/Gewebs-Wechselwirkung Oberflächenkompatibilität Oberflächenbehandlung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 25 Oberflächen von Biomaterialien Biofilme auf Oberflächen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 26 Biofilm Kontamination von Oberflächen aller Art durch Mikroorganismen, auch von Biomaterialien (vor der Implantation) Grund für mit Biomaterialien verbundene Infektionen und Auslösung der spezifischen Immunantwort Thema der vierten Vorlesung Verantwortliche Mikroorganismen bei chirurgischen Operationen sind • auf der Haut lebende Bakterien (z.B. Staphylococcus epidermidis) 1 µm Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 27 Biofilm • häufig in der Umwelt vorkommende Mikroben (z.B. Pseudomonas aeruginosa) 1 µm • auch Pilze (z.B. Candida Albicans) 10 µm Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 28 Biofilm 1 µm AFM-Bild eines Biofilms auf einer Aluminiumprobe, die mit Proteinen beschichtet und einige Tage gelagert wurde (unter unsterilen Bedingungen) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 29 Biofilm • Da die typischen Erreger sehr häufig vorkommen, sind Patienten, denen Biomaterialien implantiert werden, in der Regel gut dagegen immunisiert, aber im Falle der Erreger auf den Implantaten versagt die Immunabwehr • Infektionen im Zusammenhang mit Biomaterialien unterscheiden sich von akuten bakteriellen Infektionen „Biofilm-Konzept“ zur Erklärung der speziellen Infektionen • Bakterien wachsen bevorzugt auf Oberflächen innerhalb von mit einer Matrix umschlossenen Gemeinschaften Biofilm Matrix: EPS – extrazelluläre polymere Substanzen • Die mikrobiellen Biofilme lösen krankhafte Veränderungen in der Umgebung der von ihnen befallenen Gewebe aus meist langsam, schleichend Lockerung von Implantaten Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 30 Biofilm Flüssigkeit „Streamer“ Zell-Cluster Hohlräume Kanäle Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 31 Biofilm Infektion primäre Adsorption planktonisches Bakterium Bakterium im Biofilm Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 32 Biofilm • Beim Übergang Kolonie ändert das Bakterium seinen planktonischen Phänotyp in einen Biofilm-Phänotyp bis zu 70% aller expremierten Proteine werden dazu reguliert • Frühe Veränderungen der Genexpression führen zur Produktion der EPS (Extrazelluläre Polymere Substanzen), die die Matrix bilden und die Bakterien fest verankern bei Ps. aeruginosa wird innerhalb der ersten 15 min nach Zelladhäsion ‚algC‘ hochreguliert, das ein Teil der Alginat-Synthesekette darstellt. Alginat ist Bestandteil der EPS • Das veränderte Genexpressionsmuster des Biofilm-Phenotyps schützt die betreffenden Bakterien vor der Immunabwehr, die sie im planktonischen Zustand zerstören würde Biofilmabwehr durch Biofilm-resistente Materialien ist große Herausforderung der Biomaterialforschung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 33 Biofilmabwehr Entzündung/Infektion Empfängergewebe Bakterien Biokompatibilität Adhäsion von Bakterien (Oberfläche) Biofilmbildung Implantat Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 34 Biofilmabwehr • Systemische, konventionelle Antibiotika-Therapie • Lokale Antibiotika-Therapie, d.h. Einschluss in das Biomaterial, um sich nähernde planktonische Zellen zu töten • Anwendung von Signalblockern, die die zur Biofilmbildung notwendige Genexpression verhindern (permanenter planktonischer Phänotyp) • in-situ-Sterilisation bzw. -Beschichtung der Biomaterialien Sterilisation Oberflächenbehandlung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 35 Oberflächen von Biomaterialien Sterilisation Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 36 Sterilisation Sterilität: „Abtöten oder Entfernen aller (bis 1 von 106/ml)* lebensfähigen Vegetativ- und Dauerformen von pathogenen und apathogenen Mikroorganismen in Stoffen, Zubereitungen oder an Gegenständen". Sterilisation erfolgt unter folgenden Bedingungen: - keine Veränderung des Werkstoffs - Biofunktionalität und Biokompatibilität müssen beibehalten werden *Jede zufällige mikrobielle Kontamination eines Medizinproduktes wird bereits vor der Sterilisation so gering wie möglich gehalten. Diese noch unsterilen Produkte werden mittels Inaktivierung der mikrobiellen Kontamination in sterile Produkte umgewandelt. Dennoch besteht stets eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass ein Mikroorganismus, unabhängig vom angewendeten Verfahren, überleben kann ständige Kontrolle nötig Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 37 Hitze- und Kaltsterilisation Bei der Auswahl sind u.a. folgende Faktoren zu berücksichtigen - Entstehung und Abgabe toxikologisch wirksamer Substanzen - Werkstoffeigenschaften (z.B. Elastizität , Sprödigkeit) sollten sich nicht oder gezielt verändern - Maßhaltigkeit der Implantate muss gewährleistet sein - Kleb- und Schweißverbindungen dürfen nicht beeinträchtigt werden - Bioaktive Beschichtungen dürfen nicht unwirksam werden - Nachhaltigkeit der Sterilisation muss gewährleistet sein (u.a. durch geeignete Verpackung) - Mehrfachsterilisierungen sollten bei Bedarf möglich sein - Qualitätssicherung, routinemäßige Überwachung und und Validierung für bestimmte Verfahren müssen durchgeführt werden (Überprüfung zu späterem Zeitpunkt unmöglich) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 38 Sterilisationsverfahren Hitzesterilisationsverfahren Autoklavieren: feuchte Hitze, 115 °C für 30 Minuten oder 134 °C für 3 Minuten, 1 bis 3 bar, ggf. im Wechsel mit Vakuum (fraktioniertes Vorvakuum) Dampf: gesättigter Wasserdampf, 115 – 140 °C, 1 – 3 Minuten, 2 – 3 bar Heissluft: trockene Hitze, 160 – 320 °C, bis zu 3 Stunden Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 39 Autoklavieren Gesättigter, gespannter Dampf (1 – 3 bar) 100°C – 98,1 kPa bis 133,9°C – 294,2 kPa Standardtemperatur 121°C, 196,1 kPa, dazu muss die Luft voll-ständig raus: a) durch strömenden Dampf b) durch fraktionierte Vakuumerzeugung und Dampfinjektion Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 40 Autoklavieren Wichtig zu wissen: - die Temperatur im Sterilisationsgut „hinkt hinterher“ (in beiden Richtungen) - Zeitregime spielt eine große Rolle: - Anheizzeit (Steigzeit) - Ausgleichszeit (thermische Verzögerung) - Sterilisationszeit (Abtötungszeit) > 15 min - Abkühlzeit (Fallzeit) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 41 Autoklavieren Überwachung Sterilisationsindikatoren: Thermoindikatoren auf chemischer Basis direkt auf dem Gut Biologische Autoklavenkontrolle: Sporen von Bacillus Stearothermophilus (ATCC 7953) – Sterikon®-Testampulle Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 42 Sterilisationsverfahren Kaltsterilisationsverfahren - Gase: Ethylenoxid (EO, C2H4O), Formaldehyd (CH2O) - Ionisierende Strahlung (z.B. Gammastrahlung) - Sterilisationsverfahren mit wässrigen Lösungen (nur Desinfektion, keine Sterilisation im eigentlichen Sinne) - Sterilfilteration Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 43 Kaltsterilisationsverfahren Gase: Ethylenoxid (EO, C2H4O) - farbloses, süßlich riechendes Gas, hohe Penetrationsfähigkeit 45 - 55 °C, 45 – 60 Minuten, Gaskonzentration bei 1200 mg/l, 12–18 Stunden in Ausgasungskammer toxisch, reizend, kanzerogen, hoch entzündlich mikrobizid, viruzid, fungizid, sporizid EO Gamma 100 µm Kultivierung von Mausosteoblasten (7F2) auf Chitosanfaden für 48h LIVE/DEAD-Färbung (grün: lebende Zellen, rot: tote Zellen) Deutlich schlechtere Biokompatibilität nach EO-Sterilisation Präparation und LSM-Bilder: Christiane Heinemann, MBZ/BMBA Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 44 Kaltsterilisationsverfahren Gase: Formaldehyd (CH2O) - farbloses, stechend riechendes Gas, tränenreizend - 60 – 85 °C, 1 – 18 Stunden, Gaskonzentration bei 5 – 15 mg/l - wirkt nur bei hoher Luftfeuchte - wirkt nur in sehr hoher Konzentration da schlechtes Penetrationsverhalten (Tiefenwirkung begrenzt) -Hohes Rückhaltevermögen, Spülen mit Wasser oder Wasserdampf unerläßlich Überwachung: mittels Bacillus subtilis Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 45 Kaltsterilisationsverfahren Ionisierende Strahlung - beschleunigte Elektronen: Mikrowellen-Linearbeschleuniger 109 eV - Eindringtiefe von 0,5 cm H2O (= Vakuum-Druck-Einheit) bei 1 MeV, 30 cm H2O bei 18 MeV - UV-Strahlung: 2,2 – 5 mWs/cm2 (Staphylococcus aureus), 34 mWs/cm2 (Hepatitisvirus), Wellenlängen um 254 nm - nur für glatte Oberflächen (Flow Benches) und Raumluftentkeimung - γ-Strahlung: 2,5 Mrad = 25 kGy (1 rad = 1/100 Gray = 1/100 J/kg), Strahlungsquelle 60Co -hohe Eindringtiefe, physikalische und chemische Veränderungen im Werkstoff sind möglich, hohe Kosten, radioaktiv -Aber: nachfolgende biologische Besiedlungen werden nicht gestört Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 46 Ionisierende Strahlung H.D. Barth et al. / Biomaterials 32 (2011) 8892-8904 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 47 Ionisierende Strahlung H.D. Barth et al. / Biomaterials 32 (2011) 8892-8904 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 48 Ionisierende Strahlung E. Suljovrujic´ et al. / Radiation Physics and Chemistry 76 (2007) 722–728 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 49 Kaltsterilisationsverfahren Wäßrige Lösungen -Anwendung von gelösten Chemikalien -Streng genommen keine Sterilisation, sondern Desinfektion: Mikroorganismen werden soweit geschädigt, dass sie nicht mehr pathogen sind, sie leben aber in der Regel weiter - Oxidationsmittel: Ozon, Kaliumpermanganat, Wasserstoffperoxid - Halogene: Chlor-Verbindungen, Jod, Brom - Laugen: Natronlauge, Kalkmilch, Soda - Alkohole: Ethanol, iso-Propanol - Persäuren: Peressigsäure Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 50 Kaltsterilisationsverfahren Sterilisation durch Filtration Abtrennung der Vegetativ- und Dauerformen nahezu aller Mikroorganismen (Ausnahme: einige Viren) Porengröße ca. 0,22 μm möglich bei Wasser, flüssigen und löslichen Arzneimitteln, Luft, Gase Arcobacter butzleri. auf einem Kernporenfilter (REM-Bild) (image James Dickson) www.micro.iastate.edu/ ugrad/bacteria-in-pore.html Spritzenfilter Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 51 Sterilisation mit Schutz von Biomolekülen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 52 Sterilisation mit Schutz von Biomolekülen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 53 Sterilisation mit Schutz von Biomolekülen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 54 Sterilisation mit Schutz von Biomolekülen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 55
