Calciumtitanat (Ca4Ti3O10)– ein neues Material für Implantatbeschichtungen

Abstract

EinleitungEin Ersatz kranker oder zerstörter Gewebeteile des menschlichen Organismus durch körperfremde Materialien ist nur dann erfolgreich, wenn die Wechselwirkung mit der biologischen Umgebung ohne Schädigung des Wirtsgewebes oder des Gesamtorganismus stattfindet. Neben dieser als Biokompatibilität bekannten Voraussetzung müssen Implantatmaterialien in Abhängigkeit von ihrem Einsatzort noch zahlreiche, sich zum Teil sogar erheblich widersprechende werk-stofftechnische und biologische Forderungen erfüllen. So sollten Knochenersatzwerkstoffe in den meisten Fällen die Stützfunktion möglichst sofort und vollständig wiederherstellen. Diesen Anspruch erfüllen mechanisch und chemisch stabile Werkstoffe wie Metalle und Metalllegierungen. Darüber hinaus sollte ein Werkstoff für den Knochenersatz das Einwachsen knöcherner Strukturen ermöglichen oder deren Bildung sogar fördern. Derartige chemisch-biologische Anforderungen werden gegenwärtig am besten von keramischen Werkstoffen erfüllt. Leider genügen diese Materialien nicht den geforderten mechanischen Eigenschaften. Um Nachteile im mechanischen Verhalten zu vermeiden und Titanimplantate sind nachgewiesen bioinert. Zur Verbesserung der biologischen Eigenschaften werden derartige Implantate mit osteokonduktiven Materialien beschichtet. Es gibt verschiedene Beschichtungsverfahren wie z. B. Plasmaspraying, CVD, Ionenimplantation etc. Zur osteokonduktiven Beschichtung dienen bioaktive Keramiken auf der Basis von Calciumphosphaten. In Bezug auf die chemische Stabilität dieser anorganischen Werkstoffe existieren zwei unterschiedliche Theorien. Zum einen werden langzeitstabile Beschichtungen gefordert und zum anderen vollständig resorbierbare Beschichtungen. Das In-vitro-und In-vivo-Verhalten derartiger Keramikschichten hängt von vielen verschiedenen Faktoren wie der chemischen Zusammensetzung, der Kristallinität, der Phasenreinheit, des Stabilitäts-bzw. Resorptionsverhaltens und nicht zuletzt von der Schichtdicke ab. Vorgestellt werden in einer calciumhaltigen Salzschmelze erzeugte Reaktionsschichten mit TiA l6 V 4 -Legierungen, die zu dem calciumreichen Calciumtitanat (Ca 4 Ti 3 O 10 ) führen. Die Reaktionsschichtdicke beträgt nur 1-2 µm. Zelladhäsionstests dieser Titanatverbindung zeigten genau wie Zytotoxizitätstests eine gute Biokompatibilität. Der MTT-Test belegt, dass es abhängig von der Konzentration der löslichen Bestandteile des Werkstoffes zu einer Steigerung der mitrochondrialen Aktivität der verwendeten Zellen kommt. Für die In-vivo-Untersuchungen kam das Bohrlochmodell am Kaninchen zur Anwendung. Die Versuchsdauer betrug 2, 4, 6, 12 und 24 Wochen. Es wurden sowohl eine histologische Analyse der Implantatumgebung als auch Push-out-Tests durchgeführt. Die Implantate mit Reaktionszone zeigen dabei eine höhere Knochenanbaurate verglichen mit dem unbehandelten Material. Die histologische Analyse bestätigt einen aktiven Knochenumbauprozess um das Implantat mitCalciumtitanat-Reaktionszone.

Calcium Titanate Reaction Layers on TiAl6V4 Implants

“…screws and pins that shall remain in the body till death. Implants with the reaction layer thus generated showed a higher area of direct bone contact than untreated ones [5].…”