Die Implantation künstlicher Hüft- oder Kniegelenke gehört heute zum chirurgischen Alltag. Ein Problem, mit dem die Ärzte zu kämpfen haben, sind Infektionen in der Nähe der Prothese. Sie verzögern die Einheilung und können die Stabilität der Verbindung zwischen Endoprothese und Knochen dauerhaft beeinträchtigen. Darüber hinaus erhöhen sie für den Patienten das Operationsrisiko. "Erschwerend kommt hinzu, dass immer mehr Bakterien gegen gängige Antibiotika resistent werden", erklärt Dr. Christoph Westerhausen vom Lehrstuhl für Experimentalphysik I der Universität Augsburg. "Das zwingt uns zur Suche nach Alternativen."
Eine solche könnte die neuartige Beschichtung sein, die das Forschungsteam aus Augsburg, Hamburg und München nun entwickelt und getestet haben. Dabei handelt es sich um einen hauchdünnen Überzug aus diamantähnlichem Kohlenstoff, der bei Experten unter dem Kürzel "DLC" firmiert. DLC-Beschichtungen sind äußerst widerstandsfähig; sie werden daher schon seit vielen Jahren immer dann eingesetzt, wenn Verschleiß und Abrieb minimiert werden müssen. Der Clou der neuartigen Beschichtung liegt aber woanders: "Wir haben sie gezielt mit Zinkoxid-Partikeln dotiert", betont Westerhausen. "Zinkionen sind für Mikroorganismen toxisch; die Auflösung von Zinkoxid ist zudem stark vom pH-Wert der Lösung abhängig."
Leider hat das Schwermetall jedoch einen bedeutenden Nachteil: Es kann auch Körperzellen schädigen oder sogar abtöten – ein Effekt, der natürlich bei der Einheilung des Implantats unerwünscht ist. Solange das Zinkoxid in die DLC-Schicht eingebettet ist, besteht allerdings keine Gefahr. Erst wenn sich die Nanopartikel in der Gewebsflüssigkeit lösen und das Zink so zu einem frei beweglichen Ion wird, entfaltet es sein toxisches Potenzial. Besonders schnell geschieht das in sauren Umgebungen. "Und genau dieses Phänomen hat uns zum Design unserer DLC-Schichten bewogen", sagt Westerhausen.
Denn Infektionen gehen oft mit einer Verringerung des pH-Werts einher – die Wunde "wird sauer". Die Idee der Wissenschaftler: Vielleicht führt das dazu, dass der Kohlenstoff-Überzug seinen Zink-Inhalt vor allem in Anwesenheit von Bakterien abgibt – also dann, wenn es tatsächlich nötig ist. "Wir haben daher zunächst winzige Zinkoxid-Partikel erzeugt", erläutert der Biophysiker. "Jeder von ihnen war nicht einmal ein Zwanzigstel so dick wie ein Bakterium." Dann rührten die Forscher diesen "Schwermetall-Staub" in eine flüssige Polymerlösung ein und benetzten damit ihre Test-Implantate. Den dünnen Polymerfilm wandelten sie anschließend in DLC um.
Die so erhaltene Beschichtung testeten sie auf ihr Verhalten bei unterschiedlichen pH-Werten. Normalerweise ist die Gewebsflüssigkeit neutral bis minimal alkalisch; bei einer Entzündung wird sie dagegen leicht sauer. Tatsächlich löste sich das Zinkoxid unter diesen Bedingungen deutlich schneller: Die Beschichtung entließ bei einer Absenkung des pHs um eine Stufe (was etwa dem typischen Wert bei einem Infekt entspricht) in der Anfangsphase der Freisetzung rund dreißig Prozent mehr Zinkionen. In einer noch saureren Umgebung betrug die Steigerung sogar 130 Prozent. In mikrobiellen Tests konnten die Forscher zudem zeigen, dass die Beschichtung Bakterien wirksam in ihrem Wachstum hemmen kann – und zwar vor allem bei einem sauren pH-Wert. Zu den getesteten Mikroben gehörten auch solche, die gegen verschiedene Antibiotika resistent sind und die nach Operationen daher häufiger Probleme verursachen.
MEDICA.de; Quelle: Universität Augsburg
