Zweifacher Infektionsschutz für Implantate

Eine hybride Beschichtung von Implantaten aus antibakteriell wirksamem Silber und einem Antibiotikum soll künftig Patienten vor Infektionen schützen. Für noch bessere Schutzwirkung wird das Antibiotikum speziell auf den Patienten bzw. den Keim abgestimmt.

Bei durchschnittlich ein bis zwei Prozent der PatientInnen, die ein künstliches Gelenk erhalten, treten nach der Operation Infektionen auf. Sind die Beschwerden so gravierend, dass eine Revision notwendig wird, ist bei bis zu vier Prozent der Fälle mit Infektionen zu rechnen¹.

Das Projekt AntiSelektInfekt – eine Kooperation zwischen Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen und einem Forscher-Team des Julius-Wolff-Instituts und des BIH Centrums für Regenerative Therapien (BCRT) der Berliner Charité – hat daher den neuen Ansatz der hybriden Beschichtung entwickelt, der verspricht, das Infektionsrisiko deutlich zu senken.

Die Ergebnisse sind nach Angaben der Beteiligten vielversprechend. »Die präklinischen Studien haben bewiesen, dass die hybride Beschichtung des Implantats die Infektionsrate wirksam senkt«, erklärt Prof. Britt Wildemann. Sie leitete die Studien zur Wirksamkeit und Biokompatibilität in Berlin und ist jetzt Leiterin der Experimentellen Unfallchirurgie am Universitätsklinikum Jena.

Schon lange werde die Wirkung von Silber oder Antibiotika bei der Bekämpfung von Implantat-assoziierten Infektionen erforscht, neu sei allerdings der Ansatz, beide miteinander zu kombinieren.

»Im ersten Schritt wird die Oberfläche des Titan-Implantats mit einem Laser strukturiert. Dadurch entsteht eine poröse Schicht«, so Kai Borcherding, Geschäftsfeldleiter Medizintechnik und Life Sciences am Fraunhofer IFAM.  Auf der Titanoberfläche entstünden so amphorenförmige Vertiefungen (oben eng, nach unten weit), mit einer Größe im Mikrometerbereich. In einem zweiten Schritt werde mittels Dampfphasenabscheidung eine Schicht mit Silberpartikeln aufgebracht.

Bei der Operation können diese amphorenförmigen Poren beladen werden. Unmittelbar vor der Implantation taucht der Arzt oder die Ärztin das bereits mit Silber beschichtete, sterile Implantat in eine Lösung mit dem Antibiotikum ein, erklärt das Fraunhofer IFAM weiter. »In den präklinischen Studien haben wir gesehen, dass der ganze Vorgang nur wenige Minuten dauert und sehr einfach zu handhaben ist«, so Wildemann. Sobald das Implantatn eingesetzt werde, beginne die Freisetzung des Antibiotikums in das umliegende Gewebe. Bakterien, die eine Infektion auslösen könnten, werden schnell abgetötet. Die Silberbeschichtung wirkt verzögert und wesentlich länger. Die Silberionen sind über mehrere Wochen aktiv und schützen während der Heilungsphase vor Infektionen, so die Forschenden.

Laut Fraunhofer IFAM wurden in Labortests mit humanen Knochenzellen als auch im Tiermodell die Biokompatibilität und die Osteo-Integration untersucht. »Eine Herausforderung bei der Entwicklung bestand beispielsweise darin, dass die Konzentration des Antibiotikums hoch genug ist, die Bakterien zu töten. Andererseits durfte sie nicht so hoch sein, dass die anwachsenden Knochenzellen geschädigt werden«, erklärt Borcherding.

Ein weiterer Vorteil sei, dass die poröse Titanoberfläche den Knochen besser einwachsen lasse. »Unsere Studie hat gezeigt, dass der Knochenkontakt durch die Oberflächenmodifikation gesteigert werden konnte: 89 Prozent Kontakt bei Implantaten mit der Hybrid-Beschichtung und nur 52 Prozent Knochenkontakt in der Kontrollgruppe. Zusätzlich konnten wir nachweisen, dass die Zellen in die amphorenförmigen Poren hineinwachsen und das Implantat dadurch deutlich besser fixieren«, bestätigt Wildemann.

¹ Izakovicova P., et al. 2019, DOI: 10.1302/2058-5241.4.180092