Blutverträglichkeit von Titanbasiswerkstoffen und deren Legierungselementen zur Anwendung als Dauerimplantate
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Projekts war die Verbesserung der Hämokompatibilität von Implantaten mit Blutkontakt (z.B. als Stent). Um dieses Ziel zu erreichen, wurden verschiedene Oberflächenmodifizierungen bzw. Beschichtungen, die Strukturierung des Substrats, die Änderung der Stöchiometrie (TiO2-x) und die Dotierung der Oxidschicht untersucht. Die hergestellten Materialien wurden physikalisch-chemisch charakterisiert, um die Zellantwort bei den biologischen Tests besser zu verstehen und gezielt zu steuern. Als Beschichtungen wurden Titankarbid und Titannitrid durch 2 h oder 4 h Gasreaktion mit dem cp-Ti-Substrat hergestellt. Die Morphologie, d. h. die Oberfläche und der Aufbau dieser Schichten (Verbindungsschicht und/oder Diffusionsschicht), die Schichtdicke und die Kristallstruktur wurden untersucht. Die Hämokompatibilität der Karbidschicht ist deutlich besser als die der Nitridschicht. Die Karbidschicht zeigt bei venösen Bedingungen eine sehr geringe Plättchenaktivierung. Diese ist bei arteriellen Bedingungen zwar höher, aber die Abwesenheit der Fibrinogen-Fibrinumwandlung und der Thrombin-Erzeugung weist darauf hin, dass die Gerinnungskaskade nicht stattfindet. Die Karbidbeschichtung mit TiC sollte als Oberflächenmodifizierung des Titans weiter untersucht werden und ist in Anwendungen für Stents eine interessante Lösung, um die Thromboserisiken zu vermindern. Die Oxidbeschichtungen TiO2, Nb2O5, SiO2 und TiO2-SiO2 aus dem Sol-Gel-Prozess wurden ebenfalls hinsichtlich ihrer Hämokompatibilität untersucht, auch wenn diese Untersuchungen im Projekt ursprünglich nicht vorgesehen waren. Biologische Ergebnisse zum Einsatz im Knochenkontakt waren vielversprechend und ließen auf eine ebenfalls gute Anwendbarkeit im Blutkontakt (d.h. für Stents) schließen. Die Hämokompatibilitätstests und die Zellkulturuntersuchungen mit Endothelzellen waren ein Erfolg und wurden publiziert. Die Oxidschichten Nb2O5 und TiO2-SiO2 sind im Vergleich mit den Referenzen Titan und Stahl 316L sehr gut für die Verbesserung der Hämokompatibilität geeignet. Außerdem zeigt die Zytokompatibilität (Proliferation, Vitalität und Morphologie), dass TiO2, Nb2O5 und TiO2-SiO2 sehr gute Kandidaten für die Beschichtung von Stents sind und einer Restenose und einer späteren Thrombose entgegenwirken können. Strukturierte Materialien wurde aus der Legierungsserie TiNb10, TiNb20 und TiNb30 durch Anätzen erzeugt. Die Rauheit wurde dann mittels Weißlichtinterferometrie gemessen. Für moderate Rautiefen ist im Vergleich mit den glatten, polierten Ti-Nb-Werkstoffen die Hämokompatibilität dieser Materialien ein wenig besser geworden, aber die Plättchenaktivierung bleibt genauso hoch. Wegen ihrer Wirkung gegen die Denaturierung von Proteinen wurden unterschiedliche Stöchiometrien TiO2-x und unterschiedlich dotierte TiO2-Schichten (Dotierelemente: Niob, Tantal und Aluminium) erfolgreich hergestellt und physikalisch charakterisiert. Für die TiO2-x- Materialien wurde die Herstellbarkeit und die im Gefüge auftretenden Kristallstrukturen analysiert. Bei den dotierten Schichten wurden die Morphologie und die Reinheit charakterisiert. Außerdem wurden an diesen dotierten Schichten Impedanzmessungen durchgeführt. Die Messergebnisse sind durch einen dem Gesamtsystem äquivalenten elektrischen Ersatzschaltkreis darstellbar. Die angepassten Parameter zeigen, dass insbesondere die kapazitive Komponente der Oxidschicht sowohl durch die Schichtdicke als auch durch die Dotierung einstellbar ist. Diese physikalische Charakterisierung dotierter Oxidschichten sollte noch um Hämokompatibilitätstests ergänzt werden. Die Korrelation zwischen den elektrischen Eigenschaften und der Zellreaktion ist komplex und noch nicht ausreichend bekannt. Weitere Untersuchungen sollten die zugrundeliegenden Mechanismen genauer aufklären. Die Anwendung als Beschichtung bzw. Oberflächenmodifikation von Biomaterialien, insbesondere Implantatwerkstoffen, im direkten Blutkontakt ist die grundsätzliche Motivation dieser Untersuchungen. Vor der anwendungsorientierten Entwicklungsarbeit ist diese eher grundlagenorientiere Untersuchung angesiedelt, um den Grad der möglichen Verbesserungen auszuloten.
Publications
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Endothelial Response to Different Oxide Coatings Prepared by the Sol-Gel Process on Titanium Substrates, 22nd European Conference on Biomaterials, Lausanne, Switzerland, September 7-11, 2009
Ochsenbein A., F. Chai, M. Traisnel, H. F. Hildebrand, J. Breme, R. Busch
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Fonctionnalisation d’implants à base de titane pour applications endovasculaires et osseuses, Symposium Fédération Biomatériaux "FANSBAMed", Lille, 13.02. 2009
Ochsenbein A., Chai F., Busch R., Traisnel M., Breme J., Hildebrand H.F.
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Titanium Alloy TiNb10 as Stent Implant: Influence of the Surface Roughness on the Endothelial Response, 22nd European Conference on Biomaterials, Lausanne, Switzerland, September 7- 11, 2009
Ochsenbein A., F. Chai, M. Traisnel, H. F. Hildebrand, J. Breme, R. Busch
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Improving endothelial cell adhesion and proliferation on titanium by sol-gel derived oxide coating, Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2010, 92, 754-765
Chai F., Ochsenbein A., Traisnel M., Busch R., J. Breme, H.F. Hildebrand
