Plasmagestützte Kollagen-Silikat-Abscheidung

Ausgangssituation

Zur Verbesserung der Knochen­regene­ration werden Implantat­ober­flächen mit Kollagen oder einer Mischung aus Kollagen und Silikat beschichtet. Die unzu­reichende mechanische Beständig­keit solcher Beschich­tungen stellte bislang ein Problem dar, was durch eine stark verringerte Schicht­dicke und damit bessere Verform­barkeit an mechanisch belasteten Stellen gelöst werden könnte.

Projektziel

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines Verfahrens zur Erzeugung knochen­ähnlicher Ober­flächen­beschich­tungen mit verbesserter Haft­festig­keit für Implantate der Mund-Kiefer-Gesichts­chirurgie und der Endo­prothetik. Kollagen oder Kollagen-Siliziumoxid sollte dazu mittels Kalt­plasma­verfahren bei Atmosphären­druck als nm-dünne Beschichtung auf den Ober­flächen abge­schieden werden.

Lösungsweg

Die Beschichtung wurde mit Hilfe einer Kalt­plasma­anlage und einem inte­grierten Verneblungs­system realisiert. Der in-vitro-Zytotoxizi­täts­test nach DIN EN IS0:10995-3 zeigte keine negativen Auswirkungen der Beschich­tung auf die Stoff­wechsel­aktivität von Zellen. Eine leicht erhöhte Rauig­keit der Ober­fläche wirkte sich positiv auf die Adhäsion von Fibro­blasten aus. Die hydro­phile Ober­fläche zeigte zudem ein verbessertes Spreitungs­verhalten von Fibro­blasten und primären humanen Osteo­blasten auf beschich­teten Polymer­folien. Obwohl das Kollagen während der Beschichtung mit reaktiven Spezies des Plasmas in Kontakt kommt, konnte keine Denaturierung/ Schädigung oder Vernetzung des Proteins detektiert werden. Damit kann davon ausge­gangen werden, dass das EZM-Protein in seiner nativen Form erhalten geblieben ist. Einen Einfluss des Kollagens oder der Kollagen-Silikat-Schicht auf die Prolife­ration und Differen­zierung der Knochen­zellen konnte in bisherigen Versuchen nicht fest­ge­stellt werden. Die Beschichtung zeigte eine hervor­ragende Stabilität im 90°-Peeltest und blieb über mindestens 14 Tage in Zell­kultur­medium und in Gegen­wart von Zellen stabil auf der Substrat­ober­fläche.

Ergebnisse | Nutzen

Im Projekt wurde ein neu­artiges und kosten­effizientes Verfahren entwickelt, das die Abscheidung von mechanisch stabilen Schichten mit einer auf wenige Nano­meter begrenzten Dicke ermöglicht. Es konnte nach­ge­wiesen werden, dass Kollagen­moleküle und silizium­organische Verbindungen auf der Ober­fläche von PET-, PP-, PCL-, PE- und Titan­folien abge­schieden wurden. Die dünne Beschichtung kann aufgrund der guten mecha­nischen Stabilität das Risiko für Implantat­versagen verringern.

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Dank

Das Forschungs­vorhaben Reg.-Nr. 49MF200071 „Plasmagestützte Kollagen-Silikat-Abscheidung“ wurde anteilig vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes­tages inner­halb des Förder­programms „FuE-Förderung gemein­nütziger externer Industrie­forschungs­einrichtungen – Innovations­kompetenz (INNO-KOM) – Modul Markt­orientierte Forschung und Entwicklung (MF)“ über den Projekt­träger EuroNorm GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unter­stützung.