Welche besondere Bedeutung hat die Oberflächenbehandlung bei medizinischen Implantaten?

1. Verbessern Sie die Biokompatibilität und verringern Sie Abstoßungsreaktionen.
Biokompatibilität ist eine wichtige Anforderung an medizinische Implantate. Das bedeutet, dass Materialien keine schädlichen Reaktionen wie Toxizität, Sensibilisierung, Entzündung oder Thrombose hervorrufen dürfen, wenn sie mit menschlichem Gewebe in Kontakt kommen. Durch die Oberflächenbehandlung werden die Oberflächenqualitäten von Implantaten durch physikalische oder chemische Ansätze verbessert. Dadurch sind sie deutlich bioverträglicher.
Durch die Anwendung von Methoden wie Sandstrahlen, Säureätzen und Laserbearbeitung werden auf der Oberfläche des Implantats raue Strukturen im Mikro-{0}- oder Nano---Maßstab erzeugt. Dadurch werden die Oberfläche und die Gewebekontaktfläche vergrößert, wodurch Zellen am Implantat haften und wachsen können. Beispielsweise kann die Oberflächenrauheit (Sa-Wert) von Zahnimplantaten nach dem Sandstrahlen und Säureätzen zwischen 1 und 2 μm gehalten werden, was die Festigkeit der Knochenbindung erheblich erhöhen und den Heilungsprozess beschleunigen kann.
Chemische Modifikation: Hinzufügen bioaktiver Gruppen wie Hydroxyl- und Aminogruppen zur Oberfläche von Implantaten oder Hinzufügen von Mineralien, die das Knochenwachstum unterstützen, wie Strontium und Kalzium, um die chemische Wechselwirkung zwischen Materialien und Gewebe zu verbessern. Nach dem Anodisieren bildet sich auf der Oberfläche der Titanlegierung ein dicker Oxidfilm. Anschließend werden mithilfe elektrochemischer Methoden Kalzium- und Phosphorelemente eingebettet, um die Zusammensetzung natürlicher Knochen nachzuahmen und die Entwicklung von Knochenzellen zu fördern.
Biobeschichtungstechnologie: Biokeramik (wie Hydroxylapatit) oder bioaktive Glasbeschichtungen werden mithilfe von Technologien wie Plasmaspritzen und elektrochemischer Abscheidung auf die Oberfläche von Implantaten aufgetragen. Diese Beschichtungen sind direkt an den Mechanismen beteiligt, die für die Funktion der Knochen verantwortlich sind. Studien zeigen, dass die Osseointegrationsrate von Hydroxylapatit-beschichteten Implantaten die von unbehandelten Implantaten um über 40 % übertrifft.
2. Verbessern Sie die Korrosionsbeständigkeit und verlängern Sie die Lebensdauer
Medizinische Implantate müssen über längere Zeit menschlichen Körperflüssigkeiten ausgesetzt sein, die durch korrosive Stoffe wie Chloridionen und Proteine ​​leicht angegriffen werden können. Diese Korrosion führt zur Auflösung von Metallionen und zur Ablösung von Beschichtungen, was möglicherweise zu Entzündungsreaktionen oder zum Versagen des Implantats führt. Durch die Bildung einer dicken Schutzschicht erhöht die Oberflächenbehandlung die Korrosionsbeständigkeit von Implantaten erheblich.
Passivierungsbehandlung: Nach der Behandlung mit Salpetersäure bildet sich auf der Oberfläche von Edelstahlimplantaten ein Chromoxid-Passivierungsfilm. Dieser Film verhindert das Heraussickern von Metallionen und senkt die Korrosionsrate auf weniger als 0,001 mm/Jahr, was für eine langfristige Implantation erforderlich ist.
Mikrobogen-Oxidationstechnologie: Ein elektrisches Hochspannungsfeld wird verwendet, um eine Mikrobogenentladung auf der Oberfläche einer Titanlegierung anzuregen. Dadurch entsteht ein keramischer Oxidfilm, der Titan, Sauerstoff und Phosphor enthält. Es kann härter als 1000 HV werden und ist dreimal verschleißfester als herkömmliche anodische Oxidschichten. Es eignet sich gut für Situationen mit viel Gewicht, wie zum Beispiel bei Gelenkprothesen.
Mithilfe der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) oder der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) können nanoskalige TiN-, TiAlN- und andere Hartbeschichtungen mit einer Dicke von nur 1–5 μm auf die Oberfläche von Implantaten aufgebracht werden. Dadurch kann die Korrosionsbeständigkeit um mehr als 50 % verbessert, der Reibungskoeffizient gesenkt und die Menge der entstehenden Verschleißpartikel reduziert werden.
3. Verleihen Sie ihm antibakterielle Eigenschaften und verringern Sie das Krankheitsrisiko
Infektionen, die nach einer Operation auftreten, sind einer der Hauptgründe für das Versagen medizinischer Implantate. Beispielsweise können Infektionen bei orthopädischen, kardiovaskulären und anderen Implantaten in 1 bis 5 % der Fälle auftreten. Die Oberflächenbehandlung verhindert, dass sich Bakterien an Oberflächen festsetzen und Biofilme bilden, indem Oberflächen hergestellt werden, die Bakterien abtöten, oder indem antibakterielle Chemikalien hinzugefügt werden.
Oberflächenpfropfung antibakterieller Gruppen: Antibakterielle Gruppen wie quartäre Ammoniumsalze und Fluoride werden durch Plasmabehandlung oder chemische Pfropfung auf die Oberfläche des Implantats aufgebracht. Dies verändert die Struktur der bakteriellen Zellmembran und hat eine langanhaltende antibakterielle Wirkung. Beispielsweise kann eine antibakterielle Beschichtung, die Silber enthält, 99 % der Staphylococcus aureus abtöten und länger als 30 Tage wirksam bleiben.
Auf Licht-reaktive intelligente Beschichtung: Dabei werden Photosensibilisatoren (z. B. Porphyrinverbindungen) auf die Oberfläche von Implantaten aufgetragen und Licht einer bestimmten Wellenlänge verwendet, um reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu erzeugen, die Keime zerstören, ohne Wirtszellen zu schädigen. Diese Methode wurde verwendet, um die Oberflächen von Geräten zu desinfizieren, die leicht Infektionen übertragen könnten, wie z. B. Endoskope und Katheter.
Antibakterielle Beschichtung und Wirkstofffreisetzung wirken zusammen: Der biokeramischen Beschichtung werden Antibiotika wie Vancomycin und Gentamicin zugesetzt, um zu steuern, wie schnell die Beschichtung zerfällt und die Wirkstoffe freigesetzt werden. Die Konzentration des Arzneimittels in der Umgebung kann mehr als 1000-mal höher sein als die Konzentration des Arzneimittels im Blut, wodurch Infektionen nach einer Operation gestoppt werden.
4. Verbessern Sie die Osseointegrationsfähigkeit und die klinische Erfolgsrate.
Bei orthopädischen, zahnmedizinischen und anderen Implantaten ist die Fähigkeit zur Osseointegration ein wesentlicher Aspekt für den klinischen Erfolg. Die Oberflächenbehandlung beschleunigt den Prozess der Knochenintegration, indem sie die Form, die chemische Zusammensetzung und die biologische Aktivität der Oberfläche kontrolliert, was dazu beiträgt, dass Knochenzellen haften, wachsen und sich verändern.
Doppelsäure-Ätzbehandlungstechnologie: Durch die Verwendung von zwei Säuren (wie HCl+H ₂ SO ₄-Mischsäure und HNO 3 -Lösung) in einem zwei{2}stufigen Prozess wird eine mehrstufige Porenstruktur auf der Oberfläche des Implantats erzeugt. Diese Struktur weist eine Rauheit im Mikrometer---Bereich auf, die für eine mechanische Verriegelungskraft sorgt, und Poren im Nanometer---Bereich, die die biologische Aktivität erhöhen und die Verbindung zwischen Implantat und Knochen um mehr als 30 % fester machen.
3D-Druck poröser Strukturen: Mithilfe der selektiven Laserschmelztechnologie (SLM) werden poröse Titanlegierungsimplantate hergestellt, die zu 60 bis 80 % porös sind und Poren mit einer Breite von 200 bis 500 μm aufweisen. Dadurch wird die natürliche Trabekelstruktur des Knochens simuliert, das Wachstum von Blutgefäßen und Knochengewebe gefördert und eine „biologische Fixierung“ erreicht. Klinische Beweise deuten darauf hin, dass die Osseointegrationsdauer von Implantaten mit poröser Struktur 50 % kürzer ist als die von festen Strukturen.
Veränderung bioaktiver Moleküle: Durch die Platzierung bioaktiver Moleküle wie Bone Morphogenetic Protein (BMP) und Kollagen auf der Oberfläche von Implantaten werden Signalwege in Gang gesetzt, die die Knochenzellen bei der Differenzierung unterstützen. Beispielsweise können Implantate, die mit BMP-2 gewechselt wurden, die Osseointegrationszeit von 3 Monaten auf 6 Wochen verkürzen und die Erfolgsquote der Implantation auf über 98 % erhöhen.