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Elektrophoretische Abscheidung von Kompositbeschichtungen auf Magnesium als temporäres Knochenimplantat

Das Thema des Monats

Seit Januar 2018 präsentieren wir an dieser Stelle monatlich ein spannendes Thema aus dem Bereich der Werkstoffwissenschaften.

Das „Thema das Monats“ ist einfach und verständlich erklärt und gibt aufschlussreiche Einblicke in die Forschungsaktivitäten unseres Departments.

Das Thema des Monats Februar kommt aus dem Lehrstuhl für Biomaterialien (WW7). Das zugrundeliegende Forschungsprojekt wird in enger Zusammenarbeit mit Prof. Sanna Virtanen vom Lehrstuhl für Korrosion und Oberflächentechnik (WW4) durchgeführt und hat den Titel::

Elektrophoretische Abscheidung von Kompositbeschichtungen auf Magnesium als temporäres Knochenimplantat

von Svenja Heise

Worum geht es bei dem Thema?

Die Elektrophoretische Abscheidung (oder kurz EPD) ist ein Beschichtungsverfahren, mit dem bei Raumtemperatur beliebig geformte Materialien mit Partikeln (bestehend aus einem Material oder Kompositen) beschichtet werden können. EPD ist ein zweistufiges Verfahren, bei dem zunächst geladene Partikel unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zur entgegengesetzt geladenen Elektrode (welches das zu beschichtende Material ist) bewegt werden, wo sie anschließend zu einer deckenden Schicht koagulieren (siehe Abbildung 1 links).

Mein Projekt beschäftigt sich mit EPD von Magnesium als zu beschichtendes Material. Magnesium ist interessant als temporäres Knochenimplantat, jedoch korrodiert es zu schnell und produziert dabei zu viel Wasserstoff (ähnlich wie eine Tablette, die sich im Wasser auflöst), um direkt in den Körper eingebracht zu werden. Deswegen wird das Magnesium mit einem Komposit aus einem natürlichen Polymer (Chitosan) und einer Keramik (Bioglass®) mittels EPD beschichtet, um die Korrosion zu verlangsamen, aber nicht zu verhindern. Dabei können noch weitere Materialien, wie zum Beispiel antibakterielle Wirkstoffe, problemlos in die Beschichtung eingebracht werden, um so gezielt und lokal Infektionen zu verhindern. Die Beschichtung unter dem Elektronenmikroskop ist in Abbildung 1 rechts zu sehen.

 

     

Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer EPD Zelle (links); Stahlnetz beschichtet mittels EPD (rechts)

Wo findet es Anwendung?

Aktuell wird ein Knochenbruch mit Schrauben und Platten fixiert, die nach der Heilung des Bruches in einer zweiten Operation wieder entfernt werden müssen. Dadurch entstehen nicht nur weitere Kosten, sondern auch Risiken wie Infektionen für den Patienten. Ziel dieses Projektes ist es, ein temporäres Implantat zu entwickeln, das nicht wieder entfernt werden muss, sondern im Körper selbst abgebaut wird. Magnesium ist dafür ein ideales Material, da es gute mechanische Eigenschaften aufweist und vom Körper ohne Probleme abgebaut und zum Teil sogar umgesetzt werden kann, vorausgesetzt die Korrosion kann verlangsamt werden. Die verwendete Beschichtung ist natürlich auch abbaubar und fördert sogar gleichzeitig das Knochenwachstum durch die Freisetzung von Kalzium- und Phosphorionen, den Grundbestandteilen von Knochen.

Was ist weiter geplant?

Aktuell untersuche ich die Beschichtung im Kontakt mit Zellen (siehe Abbildung 2 links), um herauszufinden, welche Effekte die Beschichtung und das darunterliegende Substrat auf lebende Objekte ausübt – ein wichtiger Schritt, um die Beschichtung weiter zu optimieren. Anschließend werden wir das Kompositsystem auf Magnesium-Scaffolds übertragen, da hier durch die Poren ein deutlich gesteigertes Knochenwachstum erwartet wird (siehe Abbildung 2 rechts).

Für interessierte Studierende gibt es am Lehrstuhl für Biomaterialien viele Möglichkeiten die Regeneration des Körpers bei Defekten nicht nur von Knochen, sondern z.B. auch von Haut zu unterstützen. Bei Interesse könnt Ihr euch gerne bei uns melden.

  

Abbildung 2: Elektronenmikroskopbild einer Zelle auf Magnesium (link); Lichtmikroskopbildes eines Scaffolds (rechts)

Zur Person:

Name: Svenja Heise

Studium: Studium der Materialwissenschaften an der TU Darmstadt, Promotionsstudium an der FAU Erlangen-Nürnberg

Position: Wissenschaftliche Angestellte – Doktorandin

Hobbys: Jung-DGM Erlangen-Nürnberg, Leo-Club Erlangen-„Markgraf“, Harfe spielen, Reisen

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