Bioaktive Glaswerkstoffe

Stefan Reschke, Dr. Matthias Grüne, Jürgen Kohlhoff

Bioaktive Werkstoffe zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, im Körper durch eine spezifische Oberß ächenreaktion den Calciumphosphat-Werkstoff Hydroxylapatit (HA) auszubilden, welcher der Knochensubstanz sehr ähnlichen ist. HA ermöglicht eine feste Verbindung zwischen synthetischen Biowerkstoffen und sowohl harten als auch weichen Geweben. In diesem Sinne sind die bioaktiven Glaswerkstoffe eine besonders interessante Stoffgruppe, da sie aus sich heraus alle für die HA-Bildung essentiellen Komponenten bereitstellen.

Bioaktive Gläser lassen sich anhand ihrer chemischen Zusammensetzung in drei Gruppen unterteilen: Silikatische Gläser, Boratgläser und Phosphatgläser. In den 1970er Jahren wurde die Bioaktivität bestimmter silikatischer Gläser entdeckt, sie werden z.T. schon seit etwa 25 Jahren in der Medizin eingesetzt. Hauptzweck war bislang, in Form von Beschichtungen auf bioinerten Werkstoffen, vor allem auf als Implantatwerkstoff eingesetzten Metallen, eine innige Verbindung zwischen umgebendem biologischem Gewebe und dem Metallimplantat herzustellen.

So kann einerseits eine Verkapselung des Implantats durch Gewebe unterbunden werden, andererseits wird die mechanische Anbindung an den Körper verbessert. Auch werden sie eingesetzt, um defektes Gewebe zu reparieren oder zu ersetzen, z.B. im Knochenbereich.

In letzter Zeit erfahren sie vor allem auf dem Gebiet des so genannten Tissue Engineering zunehmende Aufmerksamkeit, da einige von ihnen eine offensichtlich wachstumsfördernde bzw. beschleunigende Wirkung auf biologisches Gewebe haben, die den Heilungsfortschritt durch Anregen und Unterstützen von Gewebeneubildung maßgeblich positiv beeinß usst.

Das Tissue Engineering ist ein vielversprechender Ansatz zur Reparatur und Regeneration von zerstörten, geschädigten oder operativ entfernten Gewebebereichen und Organen. Dabei können Glaswerkstoffe aufgrund ihrer mechanischen Festigkeit sehr gut eine offenporige Gerüstfunktion (engl. Scaffolding) für ein- oder nachwachsendes Gewebe bereitstellen. Idealerweise stellen Scaffolds diese Gerüstfunktion in der exakt benötigten Festigkeit oder Flexibilität, Geometrie und Größe sowie für genau den Zeitraum bereit, den der Körper braucht, den betroffenen Gewebebereich vollständig zu regenerieren. Das bedeutet insbesondere, dass sich die synthetische Gerüststruktur angepasst an den Verlauf der Gewebeneubildung abbauen muss.

Die bioaktiven Silikatgläser sind in ihrer Wechselwirkung mit Gewebe sehr gut untersucht. Sie können neben Silizium als Glasbildner und den beiden für die Bioaktivität essentiellen Komponenten Calcium und Phosphor ganz ähnlich wie Fensterglas unterschiedliche weitere Bestandteile wie Natrium, Kalium oder Magnesium als so genannte Netzwerkwandler enthalten.

Die Ausbildung der verbindenden Schicht zwischen Glas und Gewebe, in diesem Fall ein Carbonat-Hydroxylapatit, erfolgt nach heutigem Kenntnisstand in 5 Stufen. Dabei steigt im Kontaktbereich zwischen Gewebe und Glas durch die chemische Reaktion der pH-Wert, wodurch der Netzwerkbildner Silizium aus dem Glas gelöst und damit auch dieStruktur des Gerüsts zerstört wird. Während Silizium nach und nach aus dem Körper ausgeschwemmt wird, werden die anderen Glaskomponenten überwiegend in das sich neu bildende Knochengewebe eingebaut.

Ein großer Nachteil der bioaktiven silikatischen Gläser ist, dass sich aus ihnen nur bedingt funktionsfähige poröse Gerüststrukturen herstellen lassen, wie sie für das Scaffolding benötigt werden. Solche schwammartigen Bioglasgerüste werden üblicherweise durch das Sintern von Glaspulvern hergestellt, wobei nur die Oberß ächen der Pulverkörner vorübergehend aufschmelzen und dabei feste Verbindungen untereinander eingehen. Viele bioaktive Silikatgläser tendieren aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung beim Sintern stark zur Kristallisation. In kristallinem Zustand jedoch reagieren sie mit dem biologischen Gewebe viel zu langsam, um den Heilungsprozess in einem sinnvollen Zeitrahmen zu halten. Es ist also schwierig, ihre Abbaurate an Geschwindigkeit sich neu bildenden Gewebes anzupassen.

Bioaktive Boratgläser werden erst seit gut 10 Jahren intensiv untersucht. In ihnen ist der Glasbildner Silizium überwiegend oder vollständig durch Bor ersetzt. Aufgrund ihrer geringeren chemischen Beständigkeit werden sie vergleichsweise schneller als silikatische Gläser abgebaut und vollständiger in HA-ähnliche Werkstoffe umgesetzt. Durch Mischen dieser beiden Glasbildner und die Variation ihrer Verhältnisse zueinander in einem bioaktiven Glas lässt sich dessen zeitliches Degradationsverhalten recht genau einstellen. Auch können Borat- sowie Silikat-Borat-Mischgläser aus ihren Pulvern einfacher in poröse Gerüststrukturen gesintert werden. Ursprüngliche Befürchtungen, dass das sich an der Reaktionsfront bildende und an sich giftige Borat-Ion schädlich für Organismus und Heilungsprozess sei, haben sich zwar im Laborexperiment an einigen Zellkulturen, nicht jedoch im Tierversuch bestätigt.

Vermutlich wird das Borat-Ion in der dynamischen biologischen Umgebung schnell genug ausgeschwemmt, um nicht gefährdend zu wirken.

Bioaktive Phosphatgläser liegen aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung mit Phosphor als Glasbildner und Calcium wie Natrium als Netzwerkwandlern von allen bioaktiven Gläsern am nächsten an der Zusammensetzung natürlicher Knochen. Allerdings besteht bei ihnen noch erheblicher Forschungsbedarf, um sie für medizinische Anwendungen geeignet werden zu lassen.

Zur Herstellung bioaktiver Glasbeschichtungen auf anderen Werkstoffen gibt es eine Reihe von Verfahren. Interessanterweise gehört hierbei das Emaillieren als klassische Methode zur Beschichtung von Metallen mit Glas zu den Jüngsten in diesem Kontext. Auch Lasercladding und elektrophoretische Abscheidung werden hier erst seit kurzem erforscht. Ein großer Vorteil der elektrophoretischen Abscheidung ist, dass mit ihr auch hochkomplexe Geometrien an jeder Stelle in gleicher Dicke beschichtet werden können. Das thermische Spritzen ist ebenso wie das Sol-Gel-Verfahren bereits seit langem für verschiedene Substratwerkstoffe etabliert. Von den Dünnschichttechnologien ist bislang die gepulste Laserabscheidung am intensivsten untersucht.

In jüngster Zeit wurde entdeckt, dass das kontrollierte Freisetzen von Calcium und Siliziumionen aus bioaktivem Glas mehrere Genfamilien in knochenbildenden Zellen positiv aktiviert und damit eine beschleunigte Knochenregeneration hervorruft. Zusätzlich gibt es deutliche Hinweise darauf, dass das kontrollierte Freisetzen dieser Ionen ein Wachstum feinster Blutgefäße induziert.

Hierdurch eröffnen sich künftig vermutlich ganz neue Möglichkeiten für die Nutzung von Glas in der Regeneration von weichem Gewebe.

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