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„Wieviel Implantat verkraftet unser Körper ?“
Charakterisierung der Abbaureaktionen an der Oberfläche von Implantatlegierungen
Arbeitsgruppe des Autors

Carla Vogt und Frank Witte

Einleitung

Eine Vielfalt von modernen Materialien werden heutzutage als Implantatwerkstoffe mit Stützfunktionen im Organismus eingesetzt. Dazu zählen vor allem Stähle, Titanlegierungen und Titan, keramische Werkstoffe sowie Polymere. Moderne Implantatwerkstoffe zur Knochenstabilisierung müssen eine Reihe von Anforderungen erfüllen, um sich für den medizinischen Einsatz zu qualifizieren. Dazu gehören mechanische Festigkeit für eine dauerhafte Gewährleistung der Kraftübertragung zwischen Implantat und Knochen, Korrosionsbeständigkeit für die Langzeitstabilität des Materials und zur Vermeidung korrosiver Schädigung sowie Biokompatibilität zur Vermeidung der Schädigung des Gewebes durch Werkstoff- oder Korrosionsprodukte. Die an der Oberfläche der Implantate ablaufenden Wechselwirkungen mit Gewebe und Körperflüssigkeiten bedürfen deshalb einer Untersuchung, weil sie in ungünstigen Fällen zur beschränkten Anwendbarkeit des Implantats, seinem Abbau oder unerwünschten Körperreaktionen führen können.
Grundsätzlich können die verwendeten Materialien nach ihrer Langzeitstabilität unterschieden werden. Inerte Materialien werden entweder nach einem bestimmten Heilungszeitraum operativ wieder entfernt oder verbleiben dauerhaft im Knochen. Biologisch abbaubare Materialien werden dagegen im Verlauf des Heilungsprozesses vom Körper resorbiert und durch neues Knochengewebe ersetzt.

In der Entwicklung moderner Implantatwerkstoffe stellen seit einiger Zeit biokompatible, sich im Organismus auflösende Werkstoffe einen aktuellen Forschungsschwerpunkt dar. Diese Implantate sollen in idealer Weise für eine notwendige Zeit Stützfunktionen ausüben, danach aber durch biologische Abbauprozesse aus dem Organismus entfernt werden und so eine zweite Operation unnötig machen. Mg-Legierungen sind hierfür gut geeignet, da sie ähnliche Elastizitätsmodule wie das Knochengewebe und eine hohe Biokompatibilität besitzen. Weitere Legierungsbildner, wie z.B. Zn, Li und Seltene Erden werden bei der Auflösung der Legierung im Organismus transportiert, abgelagert und ausgeschieden. Um die Biokompatibilität dieser neuen Legierungen zu testen und den Abbaumechanismus zu klären, ist eine Bestimmung der Legierungsbildner im umgebenden Knochenmaterial erforderlich. Die dafür verwendeten Analysenverfahren müssen aufgrund der teilweise zu messenden sehr geringen Konzentrationen sehr empfindlich sein und in der Lage sein, diese geringen Konzentrationen mit hoher örtlicher Auflösung zu messen. Tabelle 1 gibt einen Überblick, in welchen Konzentrationen einige Elemente des Periodensystems im normalen Knochengewebe anzutreffen sind.

ElementGehaltElementGehalt
Mg700 - 1800 ppmLa< 0.1 ppm
Zn75 - 170 ppmY< 0.1 ppm
Li1 - 2 ppmCe1 - 3 ppm
Al4 - 27 ppmMn0.2 - 100 ppm
P67.000 - 71.000 ppmCd1 - 2 ppm
Ca170.000 ppmCr0.1 - 0.4 ppm
Na10.000 ppmV< 0.01 ppm
Fe3 - 380 ppmPb3 - 30 ppm
Tabelle 1: Gehalte ausgewählter Elemente in humanem Knochengewebe.

Analytik

Für die Bestimmung von Mg, Li, Zn, Al und den Seltenerdelementen in Knochen, Körperflüssigkeiten und Gewebeproben wurden bisher eine Vielzahl analytischer Verfahren eingesetzt, darunter Atomabsorptionsspektrometrie (AAS), Induktiv gekoppelte Plasma-optische Emissionspektroskopie und Massenspektrometrie (ICP-OES und ICP-MS), Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) mit Anregung durch Synchrotronstrahlung, Mikrotomographie und Neutronenaktivierungsanalyse (NAA). Die Anwendung dieser Verfahren für die Mikrobereichsanalytik oder/und Spuren- bis Ultraspurenanalytik von Knochenproben und Legierungen ist jedoch durch eine Reihe von Problemen gekennzeichnet, wie unzureichende Nachweisgrenzen für einzelne oder alle zu bestimmenden Elemente, unzureichende örtliche Auflösung (im Mikrometer-Bereich) oder schwer zu beseitigende Störungen bei der Messung durch andere Bestandteile der Probe.
Um diese Probleme teilweise oder vollständig zu beseitigen, wurden deshalb die Röntgenfluoreszenzanalyse mit Anregung im µm-Bereich, die ICP-MS mit Probenabtrag durch einen Laser und die Partikel-induzierte Röntgenemission (PIXE) eingesetzt. In allen Fällen können Probenbereiche von wenigen Mikrometern Durchmesser oder darunter (PIXE) analysiert werden. Da sich Korrosionsprozesse im lebenden Organismus von denen unter Laborbedingungen im Becherglas nachgestellten häufig beträchtlich unterscheiden wurden das Korrosions- und Abbauverhalten von Implantatlegierungen im Tiermodell untersucht. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden für eine Legierung mit 90% Mg, 4% Li, 4% Al und 2 % Seltenen Erden (Ce, Nd, Eu, Dy, ...) erhalten. In anderen untersuchten Legierungen mit ähnlichen Eigenschaften wurden die Elemente Zn und Y als Legierungszusätze zum Mg verwendet.

Ergebnisse

Untersucht wurden Knochengewebsschnitte mit implantierten Legierungen, die für unterschiedliche Zeiten im Organismus verweilten. Meerschweinchen bzw. Kaninchen wurden dazu Stifte der Legierung implantiert (Abb. 1). Alle Tiere wurden anschließend unter identischen Bedingungen für unterschiedlich lange Zeiträume gehalten.

Abbildung 1: Implantat im Oberschenkelknochen eines Probentieres. Original: Dr. F. Witte, Labor für Biomechanik und Biomaterialien, Orthopädische Klinik der MHH

Abbildung 2: Röntgen-Mapping eines Knochenschnittes mit Implantat. Größe der Abbildung 15 x 10 mm. Die Farbhelligkeit ist proportional zur gemessenen Intensität der entsprechenden Röntgenstrahlung.
a) Abbild der Gesamtintensität der Röntgenquanten aller Energien
b) CaKa-Signal
c) MgKa-Signal
d) EuL-Signal
e) AlKa-Signal.

Die Aufnahmen zeigen, dass in den Legierungen die Seltenen Erden je nach Herstellungstechnologie mehr oder weniger inhomogen verteilt vorliegen (d). Am äußeren Rand des Implantats, das sich im Zentrum der Abbildung befindet, erkennt man an der Abbildung für Magnesium (2c) bereits eine Auflösung des Materials und an der Abbildung für Aluminium (2e) eine deutliche Anreicherung des Elements im Randgebiet zwischen Implantat und umgebendem Knochengewebe.

Zusätzlich lässt sich mit den Aufnahmen die Knochenstruktur sehr gut darstellen und die Calcium- (2b) und Phosphorsignale können dazu genutzt werden, die Heilungsprozesse des Knochens und die damit verbundene Knochenneubildung zu verfolgen. Abbildung 3 zeigt zwei Stadien der Auflösung des gleichen Implantatmaterials. Die oberen drei Grafiken stammen von einem Tier, bei dem das Implantatmaterial für 6 Wochen im Knochen verblieben war. Darunter zeigen die Grafiken ein Implantat, dass für 18 Wochen im Organismus verweilte. Man kann deutlich erkennen, dass sich im zweiten Fall in unmittelbarer Nähe der Implantatoberfläche eine neue Zone mit hohem Calciumgehalt entwickelt hat und die Seltenen Erden (hier dargestellt anhand des Cer-Signals) sich sehr viel homogener innerhalb des Implantats verteilt haben.

Abbildung 3: Vergleich des Abbauzustandes eines Implantatmaterials über die Röntgensignale der Legierungselemente
Calcium
Aluminium
CER
nach 6 und 18 Wochen.
Gemappter Bereich ca. 2.5 x 2.0 mm; die Farbhelligkeit ist proportional zur gemessenen Intensität der entsprechenden Röntgenstrahlung.

Detailliertere Aussagen über den Bereich in unmittelbarer Nähe des Implantates können Messungen mittels Laserablation-ICP-MS liefern. Bei dieser Analysentechnik wird durch hochenergetische Laserstrahlung in einem wenige Mikrometer großen Bereich Probenmaterial abgetragen, welches mittels inertem Gasstrom in ein Plasma transportiert, dort verdampft und ionisiert wird um anschließend mit einem Massenspektrometer analysiert zu werden. Abbildung 4 zeigt das Magnesiumsignal von zwei Ablationsspuren auf einem Knochen mit Implantat. Vom Implantat fällt das Magnesium-Signal innerhalb von 1.0 - 1.5 mm auf die für einen normalen Knochen typische Signalintensität ab, ersichtlich am Signalabfall nach dem Beginn der Ablation (links, 0 mm Ablationsstrecke). Die Strukturierung des Signals wird von der Feinstruktur der Knochentrabekel verursacht.

Abbildungen 4: Ablationsspuren auf einem Knochen mit Implantat Kratergröße 110 µm, Ablationsfrequenz 20 Hz, 20 µm/s Vortrieb, Energie 2.6 mJ Start der Messung jeweils am Implantat (bei 0 mm Strecke)

Das schnelle Abfallen des Magnesium-Signals auf die Umgebungswerte belegt, dass das freigesetzte Magnesium des Implantats zu keiner signifikanten Erhöhung der Knochenkonzentration an Magnesium führt. Durch zusätzliche Messungen der Magnesiumkonzentrationen in Organen und Körperflüssigkeiten konnte gezeigt werden, dass überschüssiges Magnesium schnell vom Organismus ausgeschieden wird und damit kein Gefährdungspotential bei der Auflösung des zu 90 und mehr Prozent Mg enthaltenden Implantats darstellt. Eine Quantifizierung von Spurenelementen, wie beispielsweise den anderen Legierungskomponenten Al, Li und den Seltene Erden in der Knochenmatrix erfordert allerdings den Einsatz angepasster Standards, vorzugsweise von Hydroxylapatit, das mit organischen Bindemitteln und unterschiedlichen Konzentrationen der Spurenelemente versetzt und zu Proben mit dem natürlichen Knochen vergleichbarer Dichte verpresst wurden. Diese können dann nach Ablation unter vergleichbaren Bedingungen zur Kalibration der Spurenelemente verwendet werden (hier nicht gezeigt).
Auch mit Partikelinduzierter Röntgenemission, bei der fokussierte hochenergetische beschleunigte Protonen genutzt wurden, um die Probe zur Emission von Röntgenstrahlung anzuregen, können hochaufgelöste Informationen über die Elementverteilung in der Umgebung des Implantats erhalten werden. In Abbildung 5 sind die Röntgensignale von Legierungskomponenten und Knochenbestandteilen einer Probe dargestellt, die sich vier Wochen im Organismus zersetzt hat.

  
Abbildungen 5: PIXE-Maps des Grenzbereiches Implantat-Knochen nach 4 Wochen Verweildauer im Organismus mit 2.25 MeV Protonen (750 x 750 µm). Rechte Bildkante Implantat, links Knochengewebe. Implantatzusammensetzung wie in den anderen Abbildungen. Die Farbhelligkeit ist proportional zur gemessenen Intensität der entsprechenden Röntgenstrahlung.

Die Grafiken zeigen eine strukturierte Auflösungszone. Unmittelbar an das Implantat (rechter Bildrand) schließt sich ein Bereich an, in dem neben hohen Calcium- und Phosphorkonzentrationen (Knochenneubildung) auch hohe Konzentrationen an Seltenen Erden, Aluminium und Kalium vorliegen, wohingegen die Magnesiumkonzentration bereits erheblich abgesunken ist. Überraschend sind die hohen Aluminium- und Seltenerdgehalte in der Zone der Knochenneubildung. Denkbar ist, dass in diesem Bereich eine stabile Mg-Al-Verbindung gebildet wird, die sehr viel weniger korrosionsempfindlich als die ursprüngliche Legierung ist, wodurch es zu keiner weiteren Verteilung des Aluminiums im umgebenden Knochen kommt.

Zur Bestätigung dieser Annahme und zur Aufklärung der Rolle der Seltenen Erden könnten Bindungsformen- und Phasenanalysen im Mikrometer- und Submikrometerbereich beitragen, wie sie beispielsweise am Synchrotron durchgeführt werden können. Für eine Aussage, welche Legierungskomponenten den Organismus beim bzw. nach dem Abbau belasten, müssen die Elemente auch in potentiellen Speicherorganen, wie der Leber oder dem Hirn, bestimmt werden.

Zusammenfassung

Festkörperspektroskopische Analysen können dazu beitragen, die Wechselwirkung zwischen Implantat und umgebendem biologischen Gewebe aufzuklären. Bei biologisch abbaubaren Implantaten lassen sich mit Röntgen- oder Massenspektren bei hoher lokaler Auflösung Aussagen zum Abbauverhalten und dabei ablaufenden Korrosionsprozessen gewinnen. Schlussfolgerungen daraus können zu verbesserten Herstellungsstrategien für die eingesetzten Legierungen führen und die Zusammensetzung und damit das Abbauverhalten optimieren helfen. Begleitet werden müssen diese Untersuchungen von Spurengehaltsbestimmungen der Implantatbestandteile in Organen und Körperflüssigkeiten, um sicher zu stellen, dass die bei der Auflösung des Implantats frei gesetzten Komponenten nicht an anderen Stellen im Organismus abgespeichert und dort zu einer Gefährdung des Patienten werden.


Kontakt:
  • Prof. Dr. Carla Vogt
    Universität Hannover
    Naturwissenschaftliche Fakultät
    Institut für Anorganische Chemie
    Callinstr. 9
    30167 Hannover
    Tel.: +49 (0)511 762-19312
    Fax: +49 (0)511 762-2923
    E-Mail: c.vogt@acc.uni-hannover.de

    Dr. Frank Witte
    Labor für Biomechanik und Biomaterialien
    Orthopädische Klinik der MHH
    Anna-von-Borries-Str. 1-7
    30625 Hannover
    Tel.: +49 (0)511 5354-647
    Fax.: +49 (0)511 5354-875