Anforderungen an Materialien in der Medizintechnik

Von bioinert bis bioresorbierbar, aber immer biokompatibel!

Von Dr. Dagmar Martin, Abteilung Grenzflächen- und Mikrostrukturanalytik, NMI Reutlingen

An Materialien und deren Oberflächen werden in der Medizintechnik vielfältige Anforderungen gestellt. Soll in einem Fall das Material starr sein, verlangt eine andere Anwendung biegsames Material. Um ein gutes Einwachsverhalten zu ermöglichen, ist eine poröse Oberfläche ideal. Bei Schrauben, die später wieder entfernt werden sollen, muss das Einwachsen verhindert werden. Hier muss die Oberfläche also möglichst glatt sein. Bei Kombinationspräparaten, zum Beispiel Drug Eluting Stents, wiederum, wird das Medikament in einer gewünschten Konzentration freigesetzt. Das Implantat selbst soll unverändert bleiben. Andere Implantate lösen sich in dem Maß auf, wie körpereigenes Material gebildet wird.

Die Anforderungen an Materialien für chirurgische Instrumente sind wieder völlig andere. Instrumente, die mehrfach eingesetzt werden, werden in der Klinik mit stark alkalischen Reinigern und bei hohen Temperaturen gereinigt und anschließend sterilisiert. Die Materialien müssen eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, die Laserbeschriftungen müssen immer noch lesbar sein. Ein Instrument muss gut reinigbar sein. Außerdem muss die Funktionalität auch nach häufigen Reinigungs- und Sterilisationszyklen gewährleistet sein. Für die minimalinvasive Chirurgie wird das Instrument durch ein enges Rohr geschoben und zusammengedrückt. Am Einsatzort entfaltet sich das Material in der vorgegebenen Form. Dafür werden sogenannte Form­gedächtnislegierungen (Nitinol) verwendet, deren Verarbeitung viel Know-how verlangt.

Damit stellt sich für Fachleute der Werkstoffkunde und Materialverarbeitung die Frage, wie das ideale Material für die Medizintechnik aussieht oder was alle diese Anforderungen gemeinsam haben. Ein idealer Werkstoff für die Medizintechnik muss vor allem biokompatibel sein. Er darf auf keinen Fall schädlich für den menschlichen Organismus sein.

Für die Biokompatibilität ist die Oberfläche ausschlaggebend, denn die Oberfläche steht in direktem Kontakt mit dem Körper. Ihre Struktur und chemische Zusammen­setzung entscheidet über das Anwachsen­ von Implantaten (Osseointegration) oder Entzündungen. Deshalb ist es absolut notwendig, mehr über diese Oberfläche zu wissen.

Im Produktionsprozess wird die Oberfläche gestrahlt, erhitzt, spanabhebend bearbeitet, beschichtet, gereinigt und vieles mehr. Aber auch nach diesem Prozess muss das Material weiterhin biokompatibel sein. Es dürfen keine toxischen Elemente, entzündungsauslösende Partikel oder Verunreinigungen aus dem Material in den Körper gelangen. Daraus leitet sich dann wiederum die Fragestellung ab, ob es sich nach der Bearbeitung immer noch um das biokompatible Ausgangsmaterial handelt, ob das Material ganz oder teilweise beschichtet werden sollte oder ob diese Beschichtung noch biokompatibel ist. Um diese Fragenstellungen beantworten zu können, ist eine genaue Kenntnis des Materials, der Oberfläche und des Prozesses notwendig.

Abbildung 1 zeigt eine elektropolierte­ und eine glasperlengestrahlte Edelstahloberfläche im Rasterelektronenmikroskop­ in der gleichen Vergrößerung. Es handelt­ sich zunächst um das selbe Material. Die Oberfläche sieht aber nach der Bearbeitung völlig anders aus, die Korrosions­beständigkeit ist unterschiedlich und die chemische Zusammensetzung der Oberfläche ist eine andere.­

Der Einfluss des Bearbeitungsprozesses­ auf die Oberflächeneigenschaften konnte am Naturwissenschaftlichen und Medizi­nischen Institut an der Universität Tübingen (NMI) bereits in verschiedenen Firmenverbundprojekten gezeigt werden. Moderne­ oberflächenanalytische Verfahren, kombiniert mit Prozessanalytik, helfen dem Fachmann, der Produkte herstellt, Prozess und die vorhandenen Oberflächen kennenzulernen und eine gleich bleibende Qualität zu gewährleisten. Denn es muss immer gelten, gleich welche Anforderungen­ die ­jeweilige Anwendung an das Material hat: Es muss immer biokompatibel sein.

Kontakt

Dr. Dagmar Martin, NMI Reutlingen, Grenzflächen- und Mikrostrukturanalytik

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