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Kunststoffe in der Medizin

Der Stoff, der Herzen höher schlagen lässt. Kunststoffe in der Medizin

Resorbierbare Kunststoffe und Implantate

Neuartige Polymere, keramische Gefüge, Gläser und Verbundwerkstoffe gehören zu den zahlreichen Materialien, mit denen der Medizintechniker heute ingeniös bioverträglichen Ersatz für beschädigtes menschliches Gewebe schaffen kann. Solche Werkstoffe sind heute für Anwendungen von der künstlichen Augenlinse bis zum künstlichen Herzen verfügbar. Mittlerweile sind derartige Fortschritte erzielt worden, dass wir hier keineswegs alle, ja noch nicht einmal die meisten viel versprechenden Systeme und Werkstoffe behandeln können, die auf dem Markt sind. Wir beschränken uns daher auf einige beispielhafte medizinische Systeme.

Bioverträglichkeit von Werkstoffen

Der Erforscher von Biomaterialien sieht sich einer einzigartigen Herausforderung gegenüber. Um vom Organismus toleriert zu werden, muss eine Substanz gewiss bestimmte mechanische Eigenschaften aufweisen, insbesondere aber bioverträglich sein: Die Wechselwirkung mit dem Empfängerorganismus muss untoxisch, steuerbar und vorher bestimmbar sein. Eine Forschungsrichtung - die Entwicklung von Ersatz teilen für das Herz-Kreislauf-System - profitiert besonders vom Fortschritt in den Werkstoffwissenschaften. Ein normales Herz schlägt etwa 40 Millionen mal im Jahr. Insbesondere Kammern von herzunterstützenden Geräten müssen daher aus Materialien bestehen, die flexibel bleiben und nicht zerreißen oder ihre Form verlieren.

Werkstoffe, die in Kontakt mit fließendem Blut kommen müssen zusätzlichen Forderungen genügen: Sie dürfen keine Blutzellen schädigen und die Bildung von gefährlichen Blutgerinnseln (Thromben) nicht begünstigen. Wenn fließendes Blut mit körperfremdem Material in Kontakt kommt, dann ist eine gewisse Ablagerung von Proteinen und Blutzellen kaum zu vermeiden. Hält der Prozess an, kann der Thrombus. Die Funktion des Gerätes beeinträchtigen. Gerinnsel können auch Blutgefäße und Implantat oder, wenn sie sich ablösen, in anderen Bereichen des Körpers blockieren oder Gewebe schädigen, etwa gar Herz oder Gehirn.

Implantate für Herz und Kreislauf

In den vergangenen 30 Jahren haben sich die Konstruktionsmerkmale künstlicher Herzklappen immer wieder geändert. Dabei wurden Bioverträglichkeit und Haltbarkeit vieler neuer Materialien getestet. Die ersten mechanischen Klappen bestanden aus rostfreiem Stahl und Silikonkautschuk. Diese Substanzen waren recht beständig, aber die Patienten mussten mit Antikoagulantien (blutgerinnungshemmenden Mitteln) behandelt werden, um die Bildung von Blutgerinnseln zu vermeiden.

In den späten sechziger Jahren wurde ein zweiter Weg mit Herzklappen aus chemisch modifiziertem Tiergewebe eingeschlagen. Damit war nur noch eine geringfügige oder keine Antikoagulationsbehandlung nötig; aber die Implantate waren im allgemeinen weniger haltbar. Bei einigen neueren Klappenmodellen verwendet man pyrolytischen Kohlenstoff, um mechanische Festigkeit und bessere Blutverträglichkeit zu erzielen, wobei die Oberflächen so glatt wie möglich sein müssen.

Um die biologische Gefäßoberfläche nachzubilden, wird für die Herstellung von künstlichen Gefäßen Teflon (Polytetrafluorethylen, PTFE) verwendet. Das Material wurde durch Strecken poröser gemacht; dadurch lagern sich leichter Plasmaproteine an der Oberfläche an, und eine natürliche glatte Gefäßoberfläche kann sich bilden.

Implantate für Knochen

Während die meisten Werkstoffe für das Herz-Kreislauf-System elastisch und blutverträglich sein müssen, haben Materialien für Knochenimplantate steif und gegenüber Zug und Druck widerstandsfähig zu sein. Ferner sollten die Implantate die Remineralisation nicht stören, d. i. die natürliche Regenerierung resorbierter Knochensubstanz. Das ideale Implantat sollte sogar bei manchen Behandlungen - etwa an Röhrenknochen oder Zähnen - die Regeneration beschädigter Knochensubstanz erleichtern, indem es sich mit der Bildung neuer Knochensubstanz auflöst.

Metalle sind seit langem das wichtigste Prothesenmaterial für die Orthopädie und die Zahnmedizin. Noch heute enthalten viele Implantate für Zähne, lange Knochenteile und Gelenke Metalle wie Titan oder Legierungen aus Chrom und Kobalt.

Implantate aus Metall sind fest und brechen nicht. Die Gefahr von Korrosion besteht heute zwar nicht mehr, dafür aber verursachen Metallimplantate oder das Bindemittel - oft Plexiglas (Polymethylmethacrylat, PMMA) - manchmal lokale Entzündungen. Ferner könnten Metall-Ionen, die aus dem Implantat in die Blutbahn gelangen, toxische Reaktionen auslösen.

Verschiedene Laboratorien haben auch bioaktive (mit dem biologischen Medium wechselwirkende) Gläser, keramische und glaskeramische Materialien entwickelt, die an ihrer Oberfläche chemische Bindungen mit dem benachbarten Knochen eingehen. Man nimmt an, dass dadurch die Bildung neuer Knochensubstanz angeregt wird.

Calciumphosphat-Keramiken sind eine Kategorie oberflächenaktiver Werkstoffe. Bei ihnen konnte ebenfalls nachgewiesen werden, dass sie Bindungen zu Knochen bilden; sie werden inzwischen weithin für den Aufbau und die Reparatur von Kieferknochen eingesetzt.

Für die Zahnmedizin, insbesondere für die kosmetische Zahnrestauration, erscheinen einige neue Werkstoffe besonders vielversprechend. Dazu gehören Verbundwerkstoffe auf der Basis von Porzellan und Polymeren, die besonders bruchfest und sicher zu verankern sind. Sie können auch im Farbton der natürlichen Zähne des Patienten gefertigt werden, verfärben sich nicht, und man kann sie dann als normale Füllung zur Reparatur von Kronen und zur Korrektur von Oberflächendefekten verwenden.

Nahtmaterialien

Die Naht als Hilfsmittel der Wundheilung gehört zu den frühesten Versuchen der Menschheit, eine natürlich vorkommende Substanz in ein Biomaterial zu verarbeiten. In verschiedenen Formen hat man mit Nahtmaterial aus „Katzendarm“ verletztes Gewebe nachweislich schon im Jahre 175 nach Christus geschlossen (Katzendarm wäre die wörtliche Übersetzung des aus dem Englischen übernommenen Fachbegriffs „katgut“ tatsächlich verwendet wurden und werden zumeist Fäden aus Schaf? oder Ziegendarm).

Synthetische, absorbierbare Fäden aus Michsäure- oder Glycolsäurepolymeren oder ?copolymeren haben in den letzten Jahren Katgut praktisch ersetzt. Diese Stoffe verursachen nur minimale Gewebereaktionen und können in sehr kleinen Durchmes­sers (bis ein Zehntel des Durchmessers von menschlichem Haar) hergestellt werden, sie ermöglichen so die Mikrochirurgie. Andere Polymere, insbesondere Polypropylen, haben frühere Nahtmaterialien für die Herz?Kreislauf?Chirurgie ersetzt, weil sie nicht absorbierbar und glatt sind und als Einzelfaser verwendet werden können. Da sie nicht zerfasern, kann der Chirurg ohne Unterbrechung in zeitkritischen Situationen mit einem Faden Stich um Stich setzen, ohne zu unterbrechen.

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