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Antibakterielle Beschichtung durch plasmaelektrolytische Oxidation
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Published: | October 23, 2013 |
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Fragestellung: Während der vergangenen Jahre konnten neue Entwicklungen in der Orthopädie und Unfallchirurgie dazu beitragen, die Lebensqualität tausender Menschen zu verbessern. Heute werden jährlich über 4,5 Millionen Eingriffe in den Bereichen künstlicher Gelenkersatz oder Frakturheilung durchgeführt. Dennoch kommt es immer wieder zu ernsthaften Komplikationen durch Lockerung oder Infektion der Implantate, welche nicht gänzlich vermieden werden können. Um diese Probleme anzugehen, sind Oberflächenbehandlungen und -beschichtungen die zur Zeit wichtigsten Forschungsschwerpunkte. Große Gewichtung liegt hier speziell in der Entwicklung antibakterieller Beschichtungen, welche der Kolonisierung mit Mikroorganismen sowie der Mikrofilmbildung auf dem Implantat entgegen wirken.
Methodik: In dieser Studie wird über die Entwicklung einer silberhaltigen Titanoxidbeschichtung berichtet. Die Beschichtung wurde mittels einer plasmaelektrolytischen Oxidation (PEO) auf eine medizinisch übliche Ti-6AL-4V Legierung aufgebracht. Die PEO-Technologie ist ein elektrochemisches Oberflächenbehandlungsverfahren, welches auf Aluminium-, Magnesium- oder Titanlegierungen sowie auf anderen weniger verbreiteten Metallen angewendet werden kann. Die Metallkomponenten werden einem flüssigen Elektrolyten und einem elektrischen Feld ausgesetzt, um eine oxidbasierte Keramik zu formen. "Funken" oder "Entladungen" werden verwendet, um die Keramik gezielt zu modifizieren.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die silberhaltige Oberflächenbeschichtung wurde mittels hochauflösender Rasterelektronen-mikroskopie charakterisiert. Es zeigten sich in homogener Verteilung gut separierte Poren in einer Größe von 1-2 µm und eine Vielzahl kleiner Silberpartikel. In wässrigem Medium wurde eine Silberfreisetzung über mehr als 15 Tagen nachgewiesen. Die gesamte Silberbeladung wurde nach Auflösen der Beschichtung durch Ätzen und nachfolgenden Silbernachweis mittels Atomabsorptionsspektroskopie zu 15 µg.cm-2 bestimmt. Zum Nachweis der antibakteriellen Wirkung wurden die PEO-beschichteten Oberflächen mit gentamicinresistenten Staphylokokken (S.epidermidis und S. aureus) inokuliert. Dabei zeigte sich für die silberbeschichteten Proben im Vergleich zu unbehandelten Ti-6Al-4V-Oberflächen eine um bis zu vier Größenordnungen niedrigere Keimlast. Die Zellverträglichkeit der Silberschichtung wurde durch Besiedlung mit primären Keratinozyten (NHEK), endothelialen Zellen (HUVEC) und menschlichen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) untersucht. Es wurden keine zytotoxischen Effekte festgestellt, und alle untersuchten Zelltypen wiesen eine normale Morphologie sowie eine mit den Kontrollproben vergleichbare Zellvitalität auf.
Mittels PEO hergestellte Silberbeschichtungen auf Ti-6AL-4V Legierung können eine Lösung für das wiederkehrend auftretende Problem der bakteriellen Besiedelung und Biofilmbildung auf Titanimplantatoberflächen darstellen.