Die Medizintechnik ist ein Wachstumsmarkt. Bedingt durch den demografischen Wandel und den steigenden Stellenwert von Gesundheit als sozioökonomisches Gut in den reichen oder aufstrebenden Volkswirtschaften, unterliegt die Medizintechnik deutlich weniger konjunkturellen Schwankungen als die großen Absatzmärkte, wie dem Automobilbau oder der Luft- und Raumfahrttechnik. Nach einer Prognose des Hamburgischen Welt Wirtschaft Institutes (HWWI) [1] wird die Nachfrage nach medizintechnischen Produkten bis 2020 in den USA und Westeuropa jährlich um rund vier Prozent zunehmen, in Osteuropa um acht Prozent und in China und Indien sogar um mehr als zehn Prozent. Meotec hat sich auf diese Branche spezialisiert und bietet funktionale Schichtsysteme für den medizintechnischen Einsatz.
Das Unternehmen wurde im Jahr 2010 als wissenschaftliches Spin-Off der RWTH Aachen gegründet und zog als erstes Unternehmen und offizieller Vertreter des Clusters Medizintechnik auf den Campus der RWTH Aachen. Meotec pflegt, insbesondere durch viele persönliche Kontakte der Mitarbeiter, eine enge Kooperation mit führenden wissenschaftlichen Einrichtungen aus dem Bereich Medizintechnik, die teilweise in unmittelbarer Nachbarschaft auf dem Campus vertreten sind.
Die Kernkompetenz der Meotec liegt in der elektrochemischen Oberflächenmodifikation von Leichtmetallen wie Titan, Magnesium oder Zirkonium für die Medizintechnik. Hierfür nutzt das Unternehmen Verfahren, die überwiegend in eigenentwickelten Anlagen (Abb.1) erforscht und betrieben werden.
Abb. 1: Anodisieranlage der Meotec
Um eine anwendungsbezogene Funktionalität der Schichten zu gewährleisten, kombiniert Meotec abtragende und oberflächen-generierende Prozesse. So erfolgt in manchen Fällen vor der finalen Umwandlung der Oberfläche in eine Keramik eine elektrochemische Bearbeitung, bei der sowohl spezielle Konturen (z. B. Schraubenflanken oder Welligkeiten) als auch spezielle Mikrostrukturen (beispielsweise Rauheiten oder Porenstrukturen) in Dental- oder andere Implantate eingebracht werden. Durch ein speziell entwickeltes Verfahren wird diese Oberfläche anschließend in eine nanostrukturierte Keramik umgewandelt. Mögliche Zielgrößen bei der Anpassung der Oberfläche sind zum Beispiel eine gutes Einwachsverhalten im Kontakt mit menschlichem Gewebe oder eine definierte Benetzbarkeit. Die hauseigene Analytik wird dazu genutzt, um die jeweiligen Schichten direkt zu charakterisieren.
Meotec hat seit der Ausgründung sowohl Verfahren zur Keramisierung von Titanimplantaten, als auch von Magnesiumimplantaten entwickelt. Die gesammelten Erkenntnisse konnte das Unternehmen nutzen, um seine Kompetenz zu erweitern. Heute stellt die vollständige Entwicklung von Magnesiumimplantaten vom Konzept bis zur Herstellung, zum Beispiel Stützstrukturen, chirurgischen Drähten oder orthopädischen Implantaten einen weiteren Schwerpunkt dar.
Die Funktionalisierung von Dentalimplantaten aus Titan (Abb. 2 und 3) steht exemplarisch für die von Meotec durchgeführten Optimierungen. Durch die Keramisierung unter dem Namen TIGHTAN wird das Knochenwachstum um die Implantate herum stimuliert und so die knöcherne Integration gefördert. In zahlreichen Untersuchungen im Uniklinikum Hamburg-Eppendorf konnte dies bestätigt werden. Es wurde festgestellt, dass die Zellviabilität der keramisierten Titanimplantate bei den in-vitro-Zellkulturversuchen gegenüber unbehandelten Titanoberflächen entschieden verbessert wird. Durch das beschleunigte Einwachsverhalten wird die Belastung für den Patienten schließlich deutlich verringert.
Abb. 2: Keramisierte Oberfläche eines Implantats aus Titan
Abb. 3: Keramisierte Oberfläche eines Titanmplantats mit Porenstruktur
Ein weiteres Beispiel für die Funktionalisierung von Oberflächen durch Meotec sind die eigenentwickelten Keramikschichten für Magnesiumimplantate. Das gesammelte Wissen im Umgang mit der Keramisierung von Titan konnte genutzt werden, um eine spezielle bio-degradierende Keramikschicht für Magnesiumimplantate herzustellen. Durch das speziell eingestellte Abbauverhalten der Keramikschicht, wird die Degradation eines Implantats aus Magnesium gezielt eingestellt und der jeweiligen Applikation (z. B. für die Frakturheilung oder für Stents) angepasst. In den vergangenen Jahren haben zahlreiche Forschungsbemühungen gezeigt, dass die Degradation von unbehandeltem Magnesium aufgrund seiner Biokorrosionsneigung zu schnell einsetzt und auf hohem Niveau voranschreitet. Auf Grund der massiven Freisetzung von Korrosionsprodukten, wie beispielsweise Wasserstoffgas, können Entzündungen und Irritationen im umliegenden Gewebe entstehen. Durch die Umwandlung der Oberfläche in eine Keramik mit definiertem Auflösungsverhalten, kann das Abbauverhalten erstmals verzögert und definiert eingestellt werden. Das Verfahren zur Herstellung solcher degradationssteuernden Schichten wurde von Meotec zum Patent angemeldet. Im Bereich der Implantatentwicklung ist das Unternehmen Urheber und Koordinator des öffentlich geförderten Forschungsprojektes BIOMAGIK. Zusammen mit verschiedenen Forschungseinrichtungen wird eine Implantatstruktur entwickelt, welche ebenfalls das Degradationsverhalten, hier jedoch das massiver Implantatkörper mit großen Abmaßen, steuert. Dies wird durch die Kombination der speziellen Keramisierung mit einer innovativen Implantatstruktur erreicht.
Durch die Keramisierung alleine kann das Abbauverhalten von dünnwandigen Implantaten (z.B. Blechen, Stützstrukturen, Nägel oder Klammern) gezielt eingestellt werden. Soll jedoch die Degradation voluminöser Körper, beispielsweise der Ersatz ganzer Knochenabschnitte, gesteuert werden, ist es erforderlich, den Ansatz zu erweitern. Nach dem vollständigen Abbau der Keramikschicht verbleibt ein zu großes Restvolumen des von nun an ungeschützten Magnesiums, das im Folgenden die ursprüngliche und zu schnell ablaufende Degradationskinetik annimmt. Um dieses Problem zu lösen, nutzt Meotec anstelle eines geschlossenen Implantatkörpers eine eigenentwickelte Skelettstruktur aus Magnesium, die durch Kanäle in alle Achsrichtungen den Implantkörper in zahlreiche Segmente unterteilt und so die Oberfläche um ein Vielfaches vergrößert (Abb. 4).
Abb. 4: Funkenerosive Bearbeitung der BIOMAGIK-Struktur (EDM Verfahren)
Durch das anschließende Keramisieren der vergrößerten Oberfläche entsteht eine große Zahl an dünnwandigen Kompartements, deren Abbauverhalten durch die Schicht wieder ausreichend gesteuert werden kann. Ein Abschattungseffekt, wie er bei vielen galvanischen Abscheideprozessen zum Tragen kommt, tritt hier nicht ein. Durch die patentierte Kombination der beiden innovativen Ansätze, Strukturierung und Keramisierung, kann auf diese Weise auch die Degradation eines massiven Vollkörpers gezielt eingestellt werden.
Das EU- und US-Patent der BIOMAGIK-Strukturierung wurde bereits angemeldet. Meotec hält die alleinigen Eigentumsrechte, sowohl an dem BIOMAGIK-Verfahren, als auch der beschriebenen Grundstruktur für Magnesiumimplantate im Rahmen des gleichnamigen Förderprojektes.
Neben der Forschung und Entwicklung im Bereich der Keramisierung von Leichtmetallen verfügt Meotec über umfassende analytische Methoden zur biologischen, chemischen und mechanischen Materialprüfung sowie zur Charakterisierung von Oberflächen. Die Nutzung der hauseigenen Analytik erfolgt zweigleisig: Einerseits für die interne Qualifizierung der verschiedenen Schichtsysteme und andererseits als Dienstleistung für externe Auftraggeber.
Zum Dienstleistungsumfang von Meotec gehören, neben bildgebenden Verfahren wie der Rasterelektronenmikroskopie (Abb. 5), der berührungslosen Rauheitsmessung und Erstellung von 3D Flächenscans mittels Weißlicht-Interferometrie (Abb. 6), zahlreiche elektrochemische und biologische Prüfverfahren, zum Beispiel der Salzsprühnebeltest, die Impedanzspektroskopie, die Quantifizierung isolierender Schichten, die Kontaktwinkelmessung sowie Biokompatibilitätstests nach DIN ISO 10993. Zusätzlich verfügt das Unternehmen über das gesamte Spektrum metallurgischer Präparationsverfahren wie das Einbetten und Trennen von Proben, Erstellen von Querschliffen (Abb. 7) und Gefügeätzungen. Zum festen Kundenkreis der analytischen Dienstleistungen von Meotec zählen bekannte Unternehmen aus der Medizintechnik, dem Maschinenbau und anderen Branchen.
Abb. 5: Rasterelektronenmikroskop
Abb. 6: ZeGage™ Weißlicht-Interferometer (3D-Profilometer)
Literatur
[1] M. Bräuniger, H. Vöpel, J. Stöver: Globale Absatzmärkte der deutschen Medizintechnik Perspektiven und Prognosen 2020: Studie im Auftrag der HSH Nordbank AG; 2009; Hamburgisches Welt Wirtschafts Institut HWWI
Meotec GmbH & Co. KG,
Pauwelsstraße 17, D-52074 Aachen
Text zum Titelbild: Präzisionstrennmaschine zur Vorbereitung metallurgischer Schliffe
