Antibacterial and low-abrasive coatings on sliding surfaces of orthopedic implants

• Applicants: Professor Dr. Rainer Burgkart; Professor Dr. Stefan Werner Schneider; Professor Dr. Achim Wixforth
• Subject Area: Biomaterials ; Coating and Surface Technology ; Medical Physics, Biomedical Technology ; Orthopaedics, Traumatology, Reconstructive Surgery
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 263003590

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Aufbauend auf den Ergebnissen vorangegangener Projektphasen konnten in diesem weiterführenden Erkenntnistransferprojekt in Kooperation mit einem Industriepartner eine Vielzahl neuer und wichtiger Erkenntnisse gewonnen und die Funktionalisierung der hier entwickelten Implantatoberflächen weiter optimiert werden. Die wichtigsten Erkenntnisse sollen an dieser Stelle noch einmal subsummiert und zusammengefasst werden: • DLC-Beschichtungen auf Titansubstraten mit kontrollierter Silber, Kuper oder Zinkfreisetzung wurden hergestellt und charakterisiert. • Zur Erreichung höherer Schichtdicken oder Schichtsystemen mit der Freisetzung verschiedener Metallionen wurden DLC-Multilagen hergestellt und charakterisiert. • Quasiintelligente, adaptive Beschichtungen basierend auf DLC-Schichten mit ZnO-Nanopartikeln zeigen eine bedarfsangepasste erhöhte Ionenfreisetzung und biologische Wirksamkeit auf Zellen und Bakterien im Fall reduzierten pH-Werts. • Ein neues Verfahren zur endotoxinfreien Isolation von Abriebpartikeln wurde entwickelt und diese Partikel charakterisiert. • Untersuchungen mit humanen Makrophagen unter Einfluss von PE Abriebpartikeln weisen auf eine zuvor nur wenig beachten Genexpressionssignatur hin, welche für die rheumatoide Arthritis beschrieben wurde. • Eine hohe antimikrobielle Wirkung von silberhaltigen DLC-Beschichtungen auf PE- und Ti-Materialien gegenüber gram-positiven sowie gram-negativen Erregern als auch gegenüber methicillin-resistente Staphylokokken (MRSA) ab einer gewissen Ag-bzw. ZnO-Konzentration wurde nachgewiesen. • DLC-Modifikationen von UHMWPE und Vitelene® Oberflächen erwiesen sich als nicht ausreichend mechanisch stabil. • DLC-Modifikationen von UHMWPE und Vitelene® Oberflächen zeigen im Alterungsfall erhöhte Sprödigkeit, die durch Behandlung der Proben mit Wasserstoff unmittelbar nach der Herstellung verhindert werden kann. • UHMWPE Proben mit implantiertem Silber zeigen eine reproduzierbare Silberionenfreisetzung im relevanten Konzentrationsbereich. Es hat sich zudem herausgestellt, dass für die kommerzielle Umsetzung der Modifikationen eine industrielle Fertigung mit speziell für den Zweck zugeschnittenen Anlagen (Ionenimplanter) erforderlich sind. Der Transfer der Erkenntnisse in den kommerziellen Bereich ist somit erfolgreich geschehen, auch wenn die Entwicklung tatsächlicher Prototypen noch weiteren insbesondere apparativen Aufwand seitens der Industrie erfordert. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass bei der realen, durch kommerzielle Interessen betriebenen Implantatherstellung natürlich auch noch gänzlich andere, in der Grundlagenforschung nicht im Vordergrund stehenden Randbedingungen wichtig werden. Neben diesem Erkenntnistransfer wurden entscheidende Grundlagenerkenntnisse gewonnen, die unter anderem in einer beeindruckenden Anzahl von Abschlussarbeiten erarbeitet wurden.

Publications

• “A novel tool for in vitro correlation of cell adhesion behavior and local shear flow”, Eur. Biophys. J., vol. 44, no. S1, p. 227, Jul. 2015
  M. Stamp, A. Jötten, D. Breyer, M. Djukelic, F. Strobl, P. Kudella, A. Hartmann, A. Wixforth, and C. Westerhausen
  
• “Antibacterial efficacy of titanium-containing alloy with silvernanoparticles enriched diamond-like carbon coatings”, AMB Express. 5, 77, 2015
  N. Harrasser, S. Jüssen, I.J. Banke, R. Kmeth, R. von Eisenhart-Rothe, B. Stritzker, H. Gollwitzer, R. Burgkart
  
• “Antibacterial efficacy of ultrahigh molecular weight polyethylene with silver containing diamond-like surface layers”, AMB Express. 5, 64, 2015
  N. Harrasser, S. Jüssen, I.J. Banke, R. Kmeth, R. von Eisenhart-Rothe, B. Stritzker, H. Gollwitzer, R. Burgkart
  
• “Antibacterial metal ion release from diamond-like carbon modified surfaces for novel multifunctional implant materials”, J. Mater. Res., vol. 31, no. 17, Sep. 2016
  S. Buchegger, C. Vogel, R. Herrmann, B. Stritzker, A. Wixforth, and C. Westerhausen
  
• “Antibacterial potency of different deposition methods of silver and copper containing diamond-like carbon coated polyethylene”, Biomater. Res. 20, 17, 2016
  N. Harrasser, S. Jüssen, A. Obermeir, R. Kmeth, B. Stritzker, H. Gollwitzer, R. Burgkart
  
• “Exploring the limits of cell adhesion under shear stress within physiological conditions and beyond on a chip”, Diagnostics, 6(4), 38; Oct. 2016
  M. Stamp, A. Jötten, P. Kudella, D. Breyer, F. Strobl, T. Geislinger, A. Wixforth, and C. Westerhausen
  
• “Silver nanoparticleenriched diamond-like carbon implant modification as a mammalian cell compatible surface with antimicrobial properties”, Sci. Rep. 6 22849, 2016
  C. Gorzelanny, R. Kmeth, A. Obermeier, A. Bauer, N. Halter, K. Kümpel, M. Schneider, A. Wixforth, H. Gollwitzer, R. Burgkart, B. Stritzker and S. Schneider
  
• “Multilayer diamond-like amorphous carbon coatings produced by ion irradiation of polymer films”, Surf. Coatings Technol., vol. 327, pp. 42–47, Oct. 2017
  S. Buchegger, N. Schuster, B. Stritzker, A. Wixforth, and C. Westerhausen
  
• “Optimizing lateral homogeneity of ion-induced surface modifications of non- planar dielectric polyethylene components employing ion fluence simulations and optical measurements of the sp2-dependent reflectivity”, Nucl. Inst. Methods Phys. Res. B., Volume 433, Pages 98-105, Oct. 2018
  J. Taiber, S. Buchegger, B. Stritzker, A. Wixforth, and C. Westerhausen
  
• “Correlation of in vitro cell adhesion, local shear flow and cell density,” RSC Advances, vol. 9(1), 543-551, Jan. 2019
  A. Jötten, S. Angermann, M. Stamp, D. Breyer, F. G. Strobl, A. Wixforth, and C. Westerhausen