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Der Orthopäde

, Volume 47, Issue 4, pp 347–366 | Cite as

Oberflächenmodifikationen von Implantaten. Teil 1

Werkstofftechnische und biologische Grundlagen
  • M. Jäger
CME

Zusammenfassung

Die biologische Wirkung von Implantaten hängt nicht nur vom Implantationsort und von patientenindividuellen Faktoren ab, sondern wird maßgeblich von der physikochemischen Zusammensetzung sowie der Oberflächentopografie des Werkstoffes beeinflusst. Im Falle permanenter Implantate am Knochen werden hierbei insbesondere eine sichere primäre Haftung, die Förderung einer raschen Osteointegrität sowie eine antimikrobielle Wirkung des Implantates angestrebt. Oberflächenveränderungen finden sich jedoch auch an Biomaterialien, die nur temporär mit Gewebe in Berührung kommen wie Werkstoffe zur Osteosynthese, Sägelehren oder Probeimplantate und chirurgische Instrumente. Die vorliegende Arbeit fasst die relevanten werkstofftechnischen Grundlagen für die Bewertung von Implantatoberflächen zusammen. Neben den werkstofftechnischen und biologischen Prinzipien werden Oberflächenmodifikationen für die gezielte klinische Anwendung vorgestellt und aktuelle Entwicklungsstrategien skizziert.

Schlüsselwörter

Biokompatibilität Osteointegration Oberflächenstruktur Werkstoff Osteointegrität 

Surface modifications of implants. Part 1

Material technical and biological principles

Abstract

The biological effects of implants in vivo are not only dependent on the implantation site and patient-specific factors but are also influenced by the physicochemical composition and the surface topography of the biomaterial. In cases of permanent implants applied to bone, primary stability, the promotion of rapid osteointegration and antimicrobial properties of the implant are strived for; however, surface modifications are also found on biomaterials which only temporarily come into contact with tissue. These include not only osteosynthesis materials, jig or implant templates but also surgical instruments. This article summarizes the relevant technical principles of materials for the assessment of implant surfaces. Besides technical material-specific and biological principles, different surface modifications for targeted clinical applications are presented. Furthermore, current developmental strategies are outlined.

Keywords

Biocompatibility Osteointegration Surface structure Material Osteointegrity 

Notes

Danksagung

Der Autor dankt Herrn Univ.-Prof. Dr. Dipl.-Ing. Alfons Fischer (Institut für Technologien der Metalle) und Herrn Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Herbert P. Jennissen (Institut für Physikalische Chemie) der Universität Duisburg-Essen für die kritische Durchsicht des Manuskriptes und ihre hilfreichen Anmerkungen.

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt

M. Jäger gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Dieser Beitrag beinhaltet keine vom Autor durchgeführten Studien an Menschen oder Tieren.

Literatur

  1. 1.
    Tsang PH, Li G, Brun YV et al (2006) Adhesion of single bacterial cells in the micronewton range. Proc Natl Acad Sci USA 103:5764–5768CrossRefPubMedPubMedCentralGoogle Scholar
  2. 2.
    Bixler GD, Theiss A, Bhushan B et al (2014) Anti-fouling properties of microstructured surfaces bio-inspired by rice leaves and butterfly wings. J Colloid Interface Sci 419:114–133CrossRefPubMedGoogle Scholar
  3. 3.
    Chung KK, Schumacher JF, Sampson EM et al (2007) Impact of engineered surface microtopography on biofilm formation of staphylococcus aureus. Biointerphases 2:89–94CrossRefPubMedGoogle Scholar
  4. 4.
    Hasan J, Crawford RJ, Ivanova EP (2013) Antibacterial surfaces: the quest for a new generation of biomaterials. Trends Biotechnol 31:295–304CrossRefPubMedGoogle Scholar
  5. 5.
    Ali M, Kim B, Belfield KD et al (2016) Green synthesis and characterization of silver nanoparticles using Artemisia absinthium aqueous extract—a comprehensive study. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 58:359–365CrossRefPubMedGoogle Scholar
  6. 6.
    Barrere F, Van Blitterswijk CA, De Groot K (2006) Bone regeneration: molecular and cellular interactions with calcium phosphate ceramics. Int J Nanomedicine 1:317–332PubMedPubMedCentralGoogle Scholar
  7. 7.
    Instrumenten-Aufbereitung A (2017) Instrumenten Aufbereitung – Instrumente werterhaltend aufbereiten. Arbeitskreis Instrumenten-Aufbereitung, GüterslohGoogle Scholar
  8. 8.
    Jäger M, Jennissen HP, Dittrich F et al (2017) Antimicrobial and osseointegration properties of nanostructured titanium orthopaedic implants. Materials (Basel) 10(11):pii:E1302.  https://doi.org/10.3390/ma10111302 CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Jager M, Urselmann F, Witte F et al (2008) Osteoblast differentiation onto different biometals with an endoprosthetic surface topography in vitro. J Biomed Mater Res A 86:61–75CrossRefPubMedGoogle Scholar
  10. 10.
    Jager M, Zilkens C, Zanger K et al (2007) Significance of nano- and microtopography for cell686 surface interactions in orthopaedic implants. J Biomed Biotechnol.  https://doi.org/10.1155/2007/69036 PubMedPubMedCentralGoogle Scholar
  11. 11.
    Claes L, Kirschner P, Perka C, Rudert M (2012) AE-Manuala der Endoprothetik. Springer, HeidelbergCrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    Thomas W, Lucente L, Mantegna N et al (2004) ESKA (CUT) endoprosthesis. Orthopäde 33:1243–1248CrossRefPubMedGoogle Scholar
  13. 13.
    Salis-Soglio VGGJ (2005) Die zementfreie Eska-Kurzstielendoprothese - Operationsprinzip und erste klinische Erfahrungen. In: Effenberger H (Hrsg) Implantateatlas. MCU, Salzburg, Linz, S 225–227Google Scholar
  14. 14.
    Jennissen HP (2015) Über die Herkunft des imaginären Teils komplexer Kontaktwinkel. Materwiss Werksttech 46:786–795CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    Carmeliet P, Jain RK (2000) Angiogenesis in cancer and other diseases. Nature 407:249–257CrossRefPubMedGoogle Scholar
  16. 16.
    Zhang BG, Myers DE, Wallace GG et al (2014) Bioactive coatings for orthopaedic implants-recent trends in development of implant coatings. Int J Mol Sci 15:11878–11921CrossRefPubMedPubMedCentralGoogle Scholar
  17. 17.
    Schwartz ZR, Raines AL, Boyan BD (2011) The effect of substrate microtopography on osseointegration of titanium implants. In: Ducheyne P, Healy K, Hutmacher DW, Grainger DW, Kirkpatrick CJ (Hrsg) Comprehensive biomaterials. Elsevier, Amsterdam, S 343–352CrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    Repenning D (2006) Beschichtungen auf Implantaten. In: Gradinger R, Gollwitzer H (Hrsg) Ossäre Integration. Springer, HeidelbergGoogle Scholar
  19. 19.
    Brennan SA, Ni Fhoghlu C, Devitt BM et al (2015) Silver nanoparticles and their orthopaedic applications. Bone Joint J 97-B:582–589CrossRefPubMedGoogle Scholar
  20. 20.
    Malda J, Rouwkema J, Martens DE et al (2004) Oxygen gradients in tissue-engineered PEGT/PBT cartilaginous constructs: measurement and modeling. Biotechnol Bioeng 86:9–18CrossRefPubMedGoogle Scholar
  21. 21.
    Rouwkema J, Rivron NC, Van Blitterswijk CA (2008) Vascularization in tissue engineering. Trends Biotechnol 26:434–441CrossRefPubMedGoogle Scholar
  22. 22.
    Itala AI, Ylanen HO, Ekholm C et al (2001) Pore diameter of more than 100 microm is not requisite for bone ingrowth in rabbits. J Biomed Mater Res 58:679–683CrossRefPubMedGoogle Scholar
  23. 23.
    Heughebaert M, Legeros RZ, Gineste M et al (1988) Physicochemical characterization of deposits associated with HA ceramics implanted in nonosseous sites. J Biomed Mater Res 22:257–268CrossRefPubMedGoogle Scholar
  24. 24.
    Legeros RZ (2002) Properties of osteoconductive biomaterials: calcium phosphates. Clin Orthop Relat Res 395:81–98CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Medizin Verlag GmbH, ein Teil von Springer Nature 2018

Authors and Affiliations

  1. 1.Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum EssenUniversität Duisburg-EssenEssenDeutschland

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