Biomaterialien: Gesund bleiben und Lebensqualität sichern

Neue Materialien und Verfahren für die Medizintechnik

Foto: GettyImages/AshleyWiley

Unser Gesundheitswesen steht vor einigen Herausforderungen. So mehrt sich die Zahl der Hochbetagten, die eine intensivere medizinische Versorgung und Pflege benötigen. Auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen werden häufiger, die Gründe liegen meist in mangelnder Bewegung und einer ungesunden, fettreichen Ernährung. Gleichzeitig verzeichnen Ärzte immer mehr Knorpel- und Knochenschäden, unter anderem verursacht durch Unfälle oder übertrieben oder falsch ausgeübten Sport.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, arbeitet das Helmholtz-Zentrum Geesthacht an einer neuen Generation von Biomaterialien – an Implantaten, die aktiv den Wiederaufbau von Geweben unterstützen, gezielt Medikamente freisetzen und sich nach getaner Arbeit im Körper auflösen.

Als Biomaterialien bezeichnet man Werkstoffe, die in den Körper eingesetzt werden, um dort die körpereigene Regeneration zu unterstützen oder wichtige Funktionen zu übernehmen. Prominente Beispiele sind Herzklappen oder Gefäßstützen für Blutgefäße, sogenannte Stents. Doch nicht alle diese Implantate müssen dauerhaft im Körper verbleiben. Es gibt Fälle, bei denen Schrauben, Nägel oder Platten, die einen Knochen nach einem Bruch fixierten, operativ wieder entfernt werden. Ähnlich liegt die Situation bei Biomaterialsystemen zur Wirkstofffreisetzung zum Beispiel von Hormonen. Ist die Stelle verheilt oder der Wirkstoff ist aus dem Depot freigesetzt, sind die Implantate oft obsolet und verursachen womöglich Komplikationen.

Im Fokus: Kunststoffe und Metalle

Um Abhilfe zu schaffen, setzen die HZG-Forscher auf eine innovative Strategie: Sie arbeiten an Implantaten aus abbaubaren Materialien, die sich nach erfüllter Funktion von selbst auflösen. Der Institutsteil „Metallische Biomaterialien“ in Geesthacht widmet sich dem Metall Magnesium – dem wohl aussichtsreichsten Kandidaten für Schrauben und Nägel, die einen Knochen nach einem Bruch stützen und sich nach der Heilung langsam abbauen.

Das Institut für Biomaterialforschung in Teltow bei Berlin befasst sich mit innovativen Kunststoffen, sogenannten Polymeren. Hier geht es unter anderem um Gele, die defekte Gewebe regenerieren. Entwickelt werden auch Polymere, die ein Medikament gezielt an seinem Wirkungsort freisetzen, und zwar stetig über Wochen und Monate hinweg.

Die Arbeiten sind ebenso vielseitig wie anspruchsvoll – und benötigen interdisziplinär agierende Teams aus Physikern, Biologen, Chemikern, Medizinern und Ingenieuren. Oft müssen die Experten ganz neue Produktionsverfahren für ihre Materialien und Formkörper entwickeln. Diese neuen Materialien werden anschließend genauestens getestet. Nur so lässt sich deren Verhalten fundiert verstehen und realitätsnah
modellieren.

Parallel entwerfen die Fachleute innovative Designs für neuartige Implantate. Diese werden in ausgiebigen Messreihen getestet – zunächst unter Bedingungen, die den Verhältnissen im Körper entsprechen, dann mit lebenden Zellkulturen. Nur bei den besonders aussichtsreichen Systemen kann eine präklinische Studie im Tiermodell folgen – ein notwendiger Probelauf, bevor man ein neues Implantat im Menschen einsetzen kann.

Die Entwicklung innovativer Biomaterialien benötigt komplexe Prozessketten, die das Helmholtz-Zentrum Geesthacht weitgehend abdeckt: Von der Materialherstellung über ausgiebige Prüf- und Messmethoden bis teilweise hin zum Implantatdesign findet sich in Geesthacht und Teltow alles unter einem Dach. Hinzu kommen Kooperationen mit etablierten Partnern insbesondere aus der Medizin: Um die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in die Praxis zu überführen, arbeiten die HZG-Forscher im Rahmen von virtuellen Instituten und Gemeinschaftseinrichtungen eng mit Universitätskliniken zusammen.