Nanotechnik fürs künstliche Gelenk

Mit Hilfe der Nanoröhren wollen Forscher künftig bessere Implantate entwickeln. Sie geben Auskunft über ihren Zustand und könnten bei Bedarf auch Medikamente direkt in den Körper abgeben.

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Von
  • Katharine Gammon

Die meisten orthopädischen Implantate, etwa künstliche Hüft- und Kniegelenke, sind nicht sehr lange haltbar – nach zehn bis 15 Jahren müssen viele Betroffene sich also einer neuerlichen Operation unterziehen. Forscher an der Brown University im amerikanischen Providence entwickeln deshalb derzeit Implantate, deren Zustand sich einfacher überwachen lässt und die sich außerdem leichter in das umgebende Zellgewebe im Körper einfügen lassen.

Das Team, das vom Maschinenbauprofessor Thomas Webster geleitet wird, sucht vor allem nach einer einfacheren Methode, überhaupt festzustellen, ob sich ein Implantat erfolgreich in den Körper integriert hat: "Wir wollten aus einer Gedankenwelt heraus, in der sich der Erfolg eines Implantats nur mittels Röntgen oder Knochenscans ermitteln lässt."

Webster will deshalb künstliche Gelenke entwickeln, die eine intelligente Oberfläche besitzen. Am Anfang steht dabei Titan – schon heute das populärste Material für Implantate, weil es als sehr haltbar und biokompatibel gilt. Die Forscher behandelten das Metall zusätzlich chemisch und legten dann einen elektrischen Strom an, durch den klitzekleine Vertiefungen in der Oberfläche entstanden. In jeder dieser Vertiefungen wuchsen schließlich in einem weiteren Produktionsschritt Kohlenstoffnanoröhrchen, die aufkeimten wie kleine Antennen. Dann wurden zum Test der Eigenschaften unter Laborbedingungen menschliche Zellen auf das Implantat aufgebracht. Die Forscher konnten messen, wie viel Elektrizität zwischen den Nanoröhrchen floss – und so unterscheiden, was auf der Oberfläche wuchs: Angewachsene Knochen, entzündliches Narbengewebe oder ein gefährlicher bakterieller Biofilm.

"Die Nanoröhrchen arbeiteten nicht nur als Sensoren, sondern halfen auch beim Knochenwachstum – das hätten wir gar nicht erwartet", sagt Webster. Tatsächlich kam es sogar zu einer Verdoppelung des Knochenwachstums, und das Knochenmaterial enthielt sogar mehr Kalzium als gewöhnlich. Implantate funktionieren üblicherweise nur dann gut, wenn sie mit dem Knochen gut verwachsen.

Laut Webster gibt es mehrere Erklärungen für den Wachstumsschub. Möglicherweise bilden die Kohlenstoffnanoröhrchen das Wachstum von Kollagen nach, des Eiweißes, dessen lange Fasern den Knochen ihre Zugfestigkeit verleihen. Denkbar ist auch, dass die Elektrizität, die zwischen den Röhrchen fließt, das Zellenwachstum stimuliert. Eine dritte Möglichkeit könnte die spezielle Oberflächenenergetik sein, die durch das Nanomaterial entsteht.

Was auch immer hier genau abläuft – die Ergebnisse der Studie sind viel versprechend. Webster und sein Team arbeiten derzeit an einem nächsten Schritt: der Schaffung von Implantaten, die nicht nur erkennen können, wie der umgebende Knochen wächst, sondern auch auf medizinische Probleme reagieren. In Zukunft könnten Ärzte dann die Kohlenstoffnanoröhrchen mit bestimmten Wirkstoffen füllen, die zu vorgegebenen Zeiten abgegeben werden. Wenn das Implantat dann erkennt, dass sich ein Bakterienfilm absetzt, könnte ein antibakterielles Medikament zum Einsatz kommen, um die Infektion direkt anzugehen. Auch andere Wirkstoffe wären möglich – von entzündungshemmenden Stoffen bis hin zu Hilfsmitteln für den Knochenaufbau.

Trotz dieser spannenden Entwicklungen gibt es jedoch auch noch Sicherheitsbedenken. Cato Laurencin, Professor für Biomedizin- und Chemieingenieurwesen an der University of Virginia, sieht das Problem der fehlenden biologischen Abbaubarkeit der Nanoröhrchen. "Es gibt außerdem unterschiedliche Meinungen in der Wissenschaft, was die sichere Verwendung der Technologie beim Menschen anbetrifft." Es komme wohl ganz darauf an, wie die Nanoröhrchen vorbereitet würden. Noch wisse die Forschung außerdem nicht, wie sie letztlich aus dem Körper gelangten.

Webster ist trotzdem guter Hoffnung, im nächsten Jahr erstmals entsprechende orthopädische Implantate im Tierversuch testen zu können, um zu sehen, ob die Ergebnisse aus dem Labor nachvollziehbar sind. "Es wird noch eine ganze Weile dauern, bis intelligente Implantate wirklich praktikabel sein werden, aber das schaffen wir schon", meint er. (bsc)