Funktionale Materialien für die Medizintechnik von morgen, Hochschule für Life Sciences FHNW

Ein Implantat aus Titan mag auf den ersten Blick wie ein rein technisches Stück Metall wirken. Doch sobald es in den menschlichen Körper eingesetzt wird, beginnt an seiner Oberfläche ein komplexes Zusammenspiel zwischen Materialwissenschaft und Biologie. Wasser, Proteine und Zellen treffen auf das Biomaterial und Gewebe beginnt zu wachsen. Gleichzeitig können sich aber auch Bakterien festsetzen. Mechanische Kräfte wirken auf das Implantat, während der Körper versucht, den Fremdkörper in seine biologische Umgebung zu integrieren.
Was dabei geschieht, kann entscheidend dafür sein, ob ein Implantat langfristig funktioniert.
«Früher standen bei Implantaten vor allem eine hohe Biokompatibilität, eine gute Integration in das umgebende Gewebe sowie zuverlässige mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund», sagt Prof. Dr. Michael de Wild, Leiter des Forschungsfelds Funktionale Materialien und Oberflächen am Institut für Medizintechnik und Medizininformatik der Hochschule für Life Sciences FHNW.

Besonders wichtig ist dabei die Oberfläche. Denn sie bildet die direkte Schnittstelle zwischen dem technischen Produkt und dem menschlichen Körper.
Schon winzige Veränderungen können beeinflussen, wie Moleküle, Zellen und Bakterien auf ein Biomaterial reagieren. Ist eine Oberfläche porös, glatt oder rau? Welche chemischen Eigenschaften besitzt sie? Verändern sich diese mit der Zeit? Ist die Oberfläche hydrophil oder hydrophob? Welche Strukturen finden sich im Mikro- oder sogar Nanometerbereich?
Das Forschungsfeld untersucht, wie sich diese Eigenschaften gezielt nutzen lassen. Ein Ziel besteht beispielsweise darin, Knochenzellen dabei zu unterstützen, ein Implantat möglichst schnell zu besiedeln. Gleichzeitig sollen Bakterien daran gehindert werden, sich festzusetzen und einen sogenannten Biofilm zu bilden. Ein solcher Biofilm ist eine von Bakterien gebildete Schutzschicht, die Infektionen besonders hartnäckig machen kann.
«Dabei ist nicht das Grundmaterial entscheidend, sondern das, was an der Oberfläche geschieht», erklärt de Wild. «Bereits wenige Minuten und Stunden nach der Implantation können entscheidend dafür sein, ob sich körpereigene Zellen ansiedeln oder Bakterien anheften.»
Gemeinsam mit industriellen, klinischen und akademischen Partner*innen hat das Team deshalb unter anderem Implantatoberflächen mit eingelagertem Kupferdepots sowie lamellare Beschichtungen aus Calciumdihydroxid untersucht. Beide Ansätze können das Wachstum von Bakterien hemmen, ohne menschliche Zellen zu schädigen. Besonders interessant sind multifunktionelle Oberflächen, die mehrere Aufgaben übernehmen können. Die Calciumdihydroxid-Beschichtung wirkt beispielsweise zunächst antibakteriell und wandelt sich anschliessend in eine calciumphosphathaltige Schicht um, die das Knochenwachstum unterstützt.
Aus einer scheinbar passiven Grenzfläche wird so ein aktiver Bestandteil des Implantats.

Wie komplex diese Entwicklung sein kann, zeigt ein weiteres Forschungsprojekt. Dabei wurden Nanostrukturen auf eine Hochleistungskeramik aufgebracht. Die Strukturen sind mit blossem Auge nicht sichtbar, können aber beeinflussen, wie sich das Biomaterial im Körper verhält, wie Zellen auf der Oberfläche haften, wachsen und sich entwickeln.
Die Herausforderung besteht darin, dass sich einzelne Materialeigenschaft nicht isoliert beeinflussen lassen. Wird die Keramikoberfläche durch eine thermische Behandlung gezielt im Nanometerbereich strukturiert, können sich gleichzeitig ihre Kristallstruktur, die optischen Eigenschaften und sogar die mechanische Festigkeit verändern.

Die Forschenden müssen deshalb das gesamte Material im Blick behalten. Die Oberfläche soll eine gewünschte Reaktion des Körpers fördern, ohne andere wichtige Eigenschaften des Medizinprodukts zu beeinträchtigen.
Genau dafür verfügt das Forschungsfeld über ein breites Spektrum an Analyse- und Prüfmethoden. Biomaterialien können unter dem Rasterelektronen-Mikroskop untersucht, ihre chemische Zusammensetzung analysiert und ihre innere kristalline Struktur sichtbar gemacht werden. Ebenso lassen sich Festigkeit, Elastizität, Reibung, Verschleiss und Lebensdauer prüfen. Die Untersuchungen reichen dabei von Strukturen im Nano- und Mikrometerbereich bis zum vollständigen Implantat.

Ein Implantat muss biologisch funktionieren und im Alltag über Jahre hinweg biomechanischen Belastungen standhalten. Bevor ein Medizinprodukt bei Patient*innen zum Einsatz kommt, kann im Labor untersucht und numerisch simuliert werden, wie es sich unter physiologischen Belastungen und realitätsnahen Bedingungen verhält. Dabei werden beispielsweise Bewegungsabläufe, Zug und Druckkräfte oder komplexe dynamische Lastfälle simuliert. Die Forschenden testen bewusst kritische Belastungssituationen, um mögliche Schwachstellen von neuartigen chirurgischen Instrumenten oder Implantaten frühzeitig zu erkennen. Um beispielsweise die Lebensdauer hochbelasteter Gelenkersatzimplantate zu verlängern, hat das Team rund um de Wild mittels tribologischen Analysen an der Entwicklung einer innovativen, verschleissfesten Keramikbeschichtung für die artikulierenden Oberflächen von Titanimplantaten mitgewirkt.

Solche Prüfungen spielen bei der Zulassung von Medizinprodukten eine wichtige Rolle. Hersteller müssen nachweisen können, dass ein zertifiziertes Medizinprodukt sicher ist und die vorgesehene Leistung erbringt.

Manchmal beginnt die Detektivarbeit auch erst, wenn etwas nicht wie geplant funktioniert. Bei sogenannten Schadensanalysen untersucht das Team beispielsweise Bauteile mit Produktionsmängeln oder Rückständen oder auch Explantate. Gefügefehler, Kratzer oder mikroskopisch kleine Risse können durch millionenfach wiederholte Belastung wachsen, bis ein Bauteil schliesslich versagt. Mit hochauflösender Mikroskopie, Spektroskopie und Werkstoffanalysen lässt sich häufig rekonstruieren, wie die Materialermüdung, die Geometrie, lokale Spannungsspitzen und der Herstellungsprozess zusammenhängen.
Bereits verpackte Medizinprodukte können mittels Mikro-Computertomografie zerstörungsfrei untersucht werden. So lassen sich beispielsweise Produktmasse, Innengeometrien oder im Inneren verborgene Verbindungen sichtbar machen.

Mit additiven Fertigungsverfahren, auch 3D-Druck genannt, können komplexe Strukturen entstehen, die sich mit konventionellen Verfahren kaum herstellen liessen.
Poröse Gitterstrukturen können beispielsweise so ausgelegt werden, dass ihre Steifigkeit und biomechanische Eigenschaften optimal zum umgebenden Gewebe passen. Gleichzeitig bieten die Poren Raum, in den Knochengewebe hineinwachsen kann.
Ein wesentlicher Vorteil additiv hergestellter Implantate ist die Individualisierung. Auf Grundlage medizinischer Bilddaten können Implantate optimal an die Anatomie einzelner Patient*innen angepasst werden.
«Für uns ist besonders interessant, dass wir Material, Design und Funktion zunehmend gemeinsam entwickeln können», sagt de Wild.
Das eröffnet neue Möglichkeiten für Implantate, die nicht nur passgenau und patientenspezifisch gefertigt werden, sondern auch gezielt mit dem Körper interagieren.
Ein weiterer Forschungsansatz des Teams sind additiv gefertigte dreidimensionale Gitterstrukturen aus Nitinol. Diese Titan-Legierung verfügt über besondere Formgedächtniseigenschaften. Das Biomaterial kehrt unter bestimmten Bedingungen in eine zuvor festgelegte Form zurück. In Kombination mit additiver Fertigung eröffnen sich neue Möglichkeiten, der sogenannte 4D-Druck. Realisierbar sind beispielsweise Strukturen, die sich nach dem Einbringen in den Körper entfalten, mechanische Stösse absorbieren, federnd oder dämpfend wirken oder gezielt Kräfte auf das umliegende Gewebe übertragen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige minimalinvasive Anwendungen.

Ein besonders anschauliches Beispiel für intelligente Materialien sind Implantate aus Magnesium. Im Gegensatz zu klassischen Implantaten aus Titan oder Implantatstahl sollen sie nicht dauerhaft im Körper verbleiben. Solche temporären Implantate stabilisieren beispielsweise Knochenfragmente während der Heilung und werden anschliessend nach und nach vom Körper abgebaut. Dadurch kann eine zweite Operation zur Implantatentfernung vermieden werden.
Das klingt zunächst einfach. Tatsächlich ist das richtige Timing jedoch eine materialwissenschaftliche Herausforderung. Baut sich das Magnesium zu schnell ab, verliert das Implantat seine Stabilität, bevor das Gewebe verheilt ist. Bleibt es hingegen zu lange bestehen, geht ein wesentlicher Vorteil des Materials verloren.
Deshalb untersucht das Team, wie sich Herstellungsverfahren, Design, Mikrostruktur und Nachbehandlung so aufeinander abstimmen lassen, dass der Abbau möglichst kontrolliert erfolgt.
In Kombination mit der additiven Fertigung eröffnen sich dadurch völlig neue Perspektiven. So sind beispielsweise patientenspezifische Magnesiumimplantate mit komplexen Formen denkbar, die genauso lange stabil bleiben, wie sie benötigt werden, und sich anschliessend entlang einer definierten Richtung kontrolliert abbauen.

So unterschiedlich die Projekte sind, haben viele einen gemeinsamen Ausgangspunkt. Am Anfang steht häufig kein abstraktes Forschungsthema, sondern ein konkreter Bedarf aus der Klinik oder Industrie.
Ärzt*innen, Spitäler oder MedTech-Unternehmen kommen mit einer Fragestellung auf das Forschungsteam rund um de Wild zu. Wie lässt sich eine Therapie sicherer gestalten? Wie lässt sich ein Medical Device langlebiger machen? Welche Oberfläche könnte das Infektionsrisiko reduzieren? Ist ein neuer Werkstoff für eine bestimmte Anwendung geeignet? Wie lässt sich ein Prozess optimieren? Und lässt sich eine Produktidee technisch überhaupt umsetzen? Daraus entstehen wissenschaftliche Fragestellungen, die verschiedene Disziplinen zusammenbringen.
«Wir bewegen uns an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft, Medizin und Industrie», sagt de Wild.

Das Team begleitet Projekte von der Idee über Machbarkeitsstudien, Prototypen und physikalisch-chemischen Laboranalysen bis hin zu präklinischen Untersuchungen und der Erhebung regulatorisch relevanter Daten. Gerade die frühe Zusammenarbeit kann helfen, Entwicklungsrisiken zu erkennen, bevor viel Zeit und Geld in einen Ansatz investiert wurden.
Das Forschungsfeld verbindet dafür Kompetenzen aus Werkstoff- und Oberflächenwissenschaften, additiver Fertigung und Implantatentwicklung. Hinzu kommen spezialisierte Analyseinfrastruktur sowie ein Netzwerk aus Industrie, Forschung und Klinik.

Diese Nähe zur Anwendung prägt auch die Lehre. Bachelor-, Master- und Doktoratsstudierende arbeiten in laufenden Forschungsprojekten mit und beschäftigen sich mit realen Fragestellungen aus der Medizintechnik. Dabei kommen sie unter anderem mit Biomaterialien, modernen Analyseverfahren, industriellen Produktionsprozessen, klinischen und industriellen Fragestellungen und Netzwerken, Normen und Patenten in Kontakt.
Gleichzeitig zeigt die Forschung auf, welche Innovationen die Medizintechnik der Zukunft prägen könnten. Künftig könnten Implantate routinemässig individuell auf Patient*innen zugeschnitten werden. Die Oberflächen könnten gleichzeitig das Einwachsen von Gewebe fördern und Bakterien abwehren. Temporäre Implantate könnten sich nach abgeschlossener Heilung selbst abbauen. Integrierte Sensoren könnten Belastungen, Entzündungsprozesse oder den Heilungsverlauf erfassen und Informationen an medizinische Fachpersonen weitergeben.
Für Michael de Wild liegt gerade in dieser Entwicklung die Faszination seines Forschungsgebiets.
«Mich fasziniert, dass wir Materialien und ihre Oberflächen gezielt so gestalten können, dass der Körper sie nicht nur akzeptiert, sondern funktionell in sein biologisches System integriert.»
Bis neue Technologien im klinischen Alltag ankommen, braucht es allerdings Zeit. Die Innovationszyklen von der ersten Idee bis zum marktreifen Medizinprodukt erstrecken sich häufig über viele Jahre und erfordern eine enge Zusammenarbeit von Forschung, Klinik und Industrie.
Denn am Ende geht es nicht um das Material allein.
«Unsere Arbeit endet nicht bei einer wissenschaftlichen Publikation oder einem Laborversuch», sagt de Wild. «Am Ende geht es darum, Medizinprodukte zu entwickeln, die die Lebensqualität von Menschen nachhaltig verbessern und bessere Behandlungsergebnisse ermöglichen.»