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Bioaktive Materialien

1969
  • Larry L. Hench
Bioglasproben in einem Labor für Biomaterialforschung.

Bioaktive Materialien sind eine Klasse von Biomaterialien, die eine spezifische, positive biologische Reaktion an der Material-Gewebe-Grenzfläche hervorrufen und so eine Bindung zwischen beiden herstellen. Im Gegensatz zu bioinerten Materialien, die auf minimale Interaktion abzielen, sind bioaktive Materialien aktiv an Heilungsprozessen beteiligt. Ein klassisches Beispiel ist Bioglas, das auf seiner Oberfläche eine Hydroxylapatitschicht bildet und sich direkt mit dem Knochen verbindet.

Das Konzept der Bioaktivität wurde von Larry Hench mit seiner Erfindung von Bioglass® 45S5 im Jahr 1969 begründet, einer speziellen Zusammensetzung aus 45 Gewichtsprozent SiO2, 24,5 Prozent CaO, 24,5 Prozent Na2O und 6 Prozent P2O5. Der Mechanismus der Knochenbindung umfasst eine Abfolge von fünf chemischen Reaktionen an der Oberfläche. Bei Kontakt mit Körperflüssigkeiten (1) findet ein schneller Ionenaustausch von Na+ aus dem Glas mit H+ aus der Lösung statt, wodurch eine siliciumdioxidreiche Schicht entsteht. (2) Dadurch steigt der lokale pH-Wert an, was (3) zum Zerfall des Glasnetzwerks führt, wodurch Kieselsäure (Si(OH)4) freigesetzt und Silanole (Si-OH) an der Oberfläche gebildet werden. (4) Eine hohe lokale Konzentration von Calcium- und Phosphationen, sowohl aus dem Glas als auch aus der umgebenden Flüssigkeit, führt zur Bildung einer amorphen Calciumphosphatschicht. (5) Diese Schicht kristallisiert zu Hydroxycarbonat-Apatit (HCA), das chemisch und strukturell der Mineralphase des Knochens ähnelt. Diese HCA-Schicht bietet Osteoblasten ein bioaktives Gerüst für die Ansiedlung, Differenzierung und Ablagerung neuer Knochenmatrix. Dadurch entsteht eine starke, direkte und nahtlose Verbindung mit dem Wirtsknochen. Dieser Prozess, die sogenannte Osseointegration, ist entscheidend für die Langzeitstabilität von Implantaten. Darüber hinaus stimulieren die Auflösungsprodukte, insbesondere Kieselsäure, Gene in Osteoprogenitorzellen und kurbeln so die Produktion von Wachstumsfaktoren an. Dadurch ist das Material nicht nur osteokonduktiv (ein Gerüst für das Knochenwachstum), sondern auch osteoinduktiv (aktiv stimuliert es die Knochenneubildung).

UNESCO Nomenclature: 3201
- Medizinische Wissenschaften

Typ

Chemischer Prozess

Unterbrechung

Revolutionär

Verwendung

Weit verbreitete Verwendung

Vorläufersubstanzen

  • Entwicklung der Glaswissenschaft und -herstellung
  • Verständnis der Knochenzusammensetzung und der Rolle von Hydroxylapatit
  • frühe Verwendung inerter Keramiken wie Aluminiumoxid in der Orthopädie
  • Fortschritte in der Oberflächenanalyse zur Untersuchung der Material-Gewebe-Grenzfläche

Anwendungen

  • Knochentransplantate und Hohlraumfüller in der orthopädischen und zahnärztlichen Chirurgie
  • Beschichtungen auf metallischen Implantaten (z. B. Hüftschäften) zur Förderung der Osseointegration
  • Gerüste für die Knochengewebezüchtung
  • Komponenten in bioaktiven Zahnpasten zur Remineralisierung des Zahnschmelzes
  • Wundheilungsverbände, die die Gewebereparatur stimulieren

Patente:

  • US3929971A

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