Life-Science

Die in der Biotechnologie, Medizin- und Pharmatechnik verwendeten Materialien erfordern durch materialbedingte Defizite an spezifischen Oberflächeneigenschaften den Einsatz verschiedener Techniken zur Oberflächenmodifizierung.

In den letzten Jahren ist die Plasmatechnologie zu einer Schlüsseltechnologie für medizinische und biologische Applikationen geworden. Dabei erstreckt sich das Anwendungsspektrum der Oberflächenmodifizierung über den Bereich der Implantate bis hin zu kompletten Infusionssystemen, inklusive Ventilen und Kathetern. Weitere Schwerpunkte liegen auf der Modifizierung von Oberflächen zur Immobilisierung von Enzymen, Bakterien oder Zellen sowie der Ausstattung von Biomaterialien mit antimikrobiellen Eigenschaften, um Oberflächen wirksam vor Keimbefall zu schützen.

Antimikrobielle Oberflächen zur Infektionsbehandlung und –prävention
Die Verbreitung von pathogenen Mikroorganismen ist allgegenwärtig und lässt sich selbst mit strengen Hygienemaßnahmen und häufigen Desinfektionsmaßnahmen kaum verhindern. Insbesondere multiresistente Keime stellen heute ein großes Problem dar. Daher spielt in gesundheitssensiblen Bereichen, wie Krankenhäusern und Arztpraxen, Hygiene eine zentrale Rolle. Entsprechend hoch sind die Anforderungen, um Kontaminationen auszuschließen. Durch den Einsatz Plasma- oder Sol-Gel-basierter Beschichtungsverfahren können antimikrobiell wirksame Oberflächen generiert werden. Um Resistenzen zu vermeiden, wie sie beim Einsatz von Antibiotika vorkommen können, bzw. Bakterien abzutöten, die bereits eine Resistenz entwickelt haben, werden unter anderem Metallione (bspw. Kupfer oder Silber) oder Übergangsmetalloxide (bspw. Molybdäntrioxid) in die Materialoberfläche eingearbeitet oder als Schicht aufgebracht. Dadurch werden keimfreie Oberflächen gegen eine Vielzahl an Bakterien, Viren und Pilze geschaffen.

Oberflächen in Kontakt mit Körperzellen
Durch die plasma-induzierte Oberflächenmodifikation von Biomaterialien lässt sich je nach Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases die Protein- und Zelladhäsion gezielt positiv (zellanziehend) oder negativ (zellabweisend) steuern. Ein Schwerpunkt ist unter anderem die Erzeugung biorelevanter Oberflächeneigenschaften von Implantatmaterialien mit Hilfe von speziell abgestimmten Plasmaprozessen. Entscheidend für die Integration eines Implantates oder Knochenersatzmaterials ist die schnelle Akzeptanz durch das umgebende Gewebe. Dabei spielt die Grenzfläche zwischen Biomaterial und Knochen eine entscheidende Rolle. Eine zielgerichtete Optimierung der Adhäsion, Migration und Proliferation von körpereigenen Zellen auf den Grenzflächen soll ein verbessertes Einwachsen, ein vermindertes Infektionsrisiko und eine Erhöhung der Standfestigkeit eines Implantates bewirken. Umgekehrt können aber auch mittels Plasmabehandlung die Adhäsionseigenschaften von Oberflächen dahingehend gesteuert werden, dass die Anbindung von Zellen oder Mikroorganismen inhibiert wird. Dies ist zum Beispiel für temporäre Implantate von großem Vorteil.

Oberflächenmorphologie und –strukturierung
Die Adhäsion von Bakterien und Zellen auf Biomaterialien wird unter anderem auch durch die morphologische Oberflächengestaltung gesteuert. Gegenwärtig gibt es verschiedene Methoden, um entweder die Oberflächenrauheit zu reduzieren oder die Oberfläche gezielt zu strukturieren. Das Verfahren des Plasmapolierens bietet beispielsweise eine Vielzahl von Vorteilen in einem Prozessschritt. Bei der Fertigung von Medizinprodukten entstehen verfahrensbedingt Grate und Rückstände an Kanten und Flächen, die die Verträglichkeit gegenüber Gewebe und Zellen beeinträchtigen können. Durch das Plasmapolieren können diese Oberflächen unter kontrolliertem Materialabtrag entgratet werden. Zusätzliche Anwendungen sind das Entschichten, die Verbesserung des Korrosionsschutzes, Verringerung der Reibung sowie die Hydrophilierung von unterschiedlichen Metallen und Legierungen. Das Plasmaspritzverfahren hingegen ermöglicht die Abscheidung von porösen, bioaktiven Schichten, die die knöcherne Integration durch Einwachsen des Knochengewebes fördern und folglich die Verklemmung und Verzahnung des Implantates (z. B. Endoprothesen) mit dem Knochen begünstigen.