Einfluss von Oberflächenstrukturen auf die Biokompatibilität bei medizinischen Implantaten


Seminararbeit, 2013

30 Seiten, Note: 1,0

Anonym


Leseprobe


Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Einführung

Grundlagen

1.1 Periphere Venenverweilkanüle
1.1.1 Aufbau und Hygiene
1.1.2 Kathetermaterial
1.2 Biokompatibilität
1.2.1 Definition
1.2.2 Testen
1.3 Blutverträglichkeit
1.3.1 Zusammensetzung des Blutes
1.3.2 Blutgerinnung
1.3.3 Blutkontakt und Thrombosebildung
1.3.4 Biofilmbildung Oberflächeneigenschaften
1.4 Strukturen und Beschaffenheit
1.5 Analytische Messmethoden Methoden zur Verbesserung der Biokompatibilität
1.6 Verhinderung der Biofilmbildung
1.6.1 Chemische und physikalische Oberflächenstrukturierung
1.6.2 Metallbeschichtungen und –nanopartikel
1.6.3 Antiseptika und Antibiotika
1.6.4 Quorum Sensum Inhibitoren
1.6.5 Weitere Beschichtungen und Nanopartikel
1.6.6 Weitere Möglichkeiten
1.7 Verhinderung der Thrombosebildung
1.7.1 Gerinnungshemmende Mittel
1.7.2 Silikon
1.7.3 Mikrodomänen auf der Oberfläche
1.7.4 Weitere Beschichtungen
1.8 Verhinderung von Thrombophlebitis

Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Darstellung einer peripheren Venenverweilkanüle

Abbildung 2: Prozess der Biofilmbildung (Knetsch & Koole, 2011):

Abbildung 3: Ursachen für die Begünstigung bakterieller Adsorption

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Biomaterialien und ihre Anwendung in der Medizin

Tabelle 2: „No“-Definition der Biokompatibilität

Tabelle 3: Übersicht über verschiedene analytische Verfahren zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften oder Mikroorganismus – Polymer Interaktion

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Einführung

In der heutigen Zeit ist der Einsatz von biomedizinischen Geräten und Implantaten sehr weit verbreitet und nimmt auch weiterhin zu. Daher ist es sinnvoll, nach Wegen zu forschen, wie man sowohl eine sehr gute Biokompatibilität eines Werkstoffs gewährleisten als auch die chemischen, physikalischen und biologischen Wechselwirkungen zwischen Implantatwerkstoff und Organismus möglichst gering halten kann. Dabei spielt zum Einen der Werkstoff an sich und zum Anderen die Bearbeitung des Materials wie z.B. Oberflächenstrukturierungen und Beschichtungen eine Rolle. Zur Herstellung von medizinischen Implantaten werden Biomaterialien eingesetzt. Sie sind definiert als synthetische oder natürliche Materialien, die provisorisch oder dauerhaft, als Teil oder eigenständig im Körper eingesetzt werden, um Gewebe, Organe oder jegliche Funktion des Körpers zu behandeln, verbessern oder zu ersetzen (Abke, 2003). Gewünschte Eigenschaften sind Biokompatibilität, mechanische Eigenschaften, gute Formbarkeit und niedrige Kosten (Treter & Macedo, 2011). Tabelle 1 stellt einen Überblick über die Anwendungsgebiete verschiedener Biomaterialien im Körper dar (B. D. Ratner, Hoffman, Schoen, & Lemons, 1996).

Tabelle 1: Biomaterialien und ihre Anwendung in der Medizin

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese Arbeit beschäftigt sich vor allem mit Implantaten, die mit Blut in Berührung kommen, wobei als spezielle Anwendung die periphere Venenverweilkanüle betrachtet wird. Venenverweilkanülen werden vielfältig eingesetzt – sowohl zur Blutentnahme, Bluttransfusion, Infusionen als auch zur intravenösen Medikamentenapplikation oder Flüssigkeitstherapie – und sind damit die am häufigsten angewandte Methode eines intravaskulären Zugangs. Etwa zwei Drittel der im Krankenhaus behandelten Patienten werden über einen peripheren Venenzugang therapiert (Falkensteiner, Steininger, & Müller, 2011).

Ein großes Problem beim Einsatz eines Katheters ist das Auftreten von Infektionen und die Gefahr einer Thrombosebildung. Sie verursachen einen verlängerten Krankenhausaufenthalt und eine zusätzliche Behandlung mit Antibiotika, was mit gesteigerten Kosten im Gesundheitswesen einhergeht. Bei Venenverweilkanülen ist außerdem das Risiko für Phlebitis bzw. Thrombophlebitis besonders hoch (Auftreten bei 25-35% der Patienten (Tagalakis, Kahn, Libman, & Blostein, 2002)). Das Risiko für Blutbahninfektionen liegt bei 5-7% (Bundesgesundheitsblatt, Gesundheitsforschung, & Gesundheitsschutz, 2002; Lellouche, Friedman, Lahmi, Gedanken, & Banin, 2012); höhere Raten können bei Langzeitanwendungen von Kathetern erreicht werden (Bambauer, Latza, Bambauer, & Tobin, 2004). Um Infektionen zu vermeiden, ist es besonders wichtig, auf die Hygiene zu achten: Infektionen entstehen oft durch Bakterien an den Händen des Personals, durch die Haut des Patienten, durch kontaminierte Desinfektionsmitteln oder durch andere Patienten im Krankenhaus (Pavithra & Doble, 2008). Bakterien, die hauptsächlich für die Entstehung von Infektionen verantwortlich sind, sind Staphylococcus epidermis und Staphylococcus aureus (Francois et al., 1996). Trotz Anwendung aller Hygienevorschriften eines geschulten Personals, sind Infektionen häufig nicht zu verhindern. Katheterinfektionen sind in der Regel schwer zu behandeln. Die bis dato effektivste Methode zur Bekämpfung der Anzeichen einer Infektion stellt das Entfernen der Kanüle aus dem Körper dar. Dies ist jedoch z.B. bei Langzeitanwendungen nicht erwünscht.

Die medikamentöse Behandlung einer Infektion wird durch deren überwiegende Verursachung durch Bakterien, die einen Biofilm um das medizinische Implantat bilden, sehr erschwert. Deshalb ist es sinnvoll, die bakterielle Adhäsion und die folgende Entstehung des Biofilms durch eine Modifikation der Implantatoberfläche (und damit deren Eigenschaften wie Rauheit und Benetzbarkeit) zu verhindern. Dazu können u.a. verschiedene Beschichtungen oder Imprägnierungen mit Nanopartikeln oder Antibiotika sowie chemische und physikalische Oberflächenstrukturierung eingesetzt werden.

In dieser Arbeit sollen solche Möglichkeiten zur Verhinderungen der Komplikationen beim Einsatz eines Katheters bzw. einer Venenverweilkanüle aufgezeigt werden. Dazu werden, nachdem zuerst in folgendem Kapitel die Grundlagen geschaffen wurden, die Oberflächeneigenschaften charakterisiert und im Anschluss die Methoden zur Verhinderung einer Biofilmbildung (und damit einer Infektion), Thrombose und Thrombophlebitis dargelegt, die neben bereits verwendeten Verfahren auch die neusten Forschungen beinhalten.

Grundlagen

1.1 Periphere Venenverweilkanüle

1.1.1 Aufbau und Hygiene

Eine Venenverweilkanüle ist ein kleiner Katheter, der über längere Zeit in der Vene verbleiben kann und über den Infusionen oder Medikamente zugeführt werden können. Die Venenverweilkanüle besteht aus einer Metallkanüle und einem darüber geschobenen Kunststoffkatheter, der nach dem Einstich in die Vene geschoben wird und am hinteren Ende an seinen sogenannten Flügeln auf der Haut fixiert wird (siehe Abbildung 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Darstellung einer peripheren Venenverweilkanüle1

Die periphere Venenverweilkanüle sollten am Handrücken oder am Unterarm angelegt werden (Bundesgesundheitsblatt et al., 2002). Es ist zu empfehlen, das Anlegen und die Pflege der Katheter durch speziell geschultes Personal durchzuführen, um Komplikationen zu vermeiden. Die Hygiene ist beim Anlegen besonders wichtig: Die Hände sowie die Einstichstelle sollten desinfiziert und Einmalhandschuhe benutzt werden. Zur Fixierung sollten sterile Pflasterstreifen bzw. Verbände verwendet werden. Die Verbände müssen nur bei Verschmutzung, Ablösung oder Infektionsverdacht gewechselt werden; sie können also so lange liegen bleiben, wie sie klinisch benötigt werden und keine sonstigen Komplikationen auftreten. Die Verweildauer der Kanüle wird in verschiedenen Studien sehr kontrovers diskutiert; Falkensteiner et al. (2011) kommen allerdings zu dem Ergebnis, dass ein routinemäßiger Wechsel des Katheters nach etwa 72h nicht allgemein zu empfehlen ist.

1.1.2 Kathetermaterial

Die meisten Katheter werden heutzutage aus Polyurethanen (PEU), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen (Teflon) oder Silikonelastomeren hergestellt. Im Vergleich zu Materialien wie Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyethylene (PE) sind diese weniger anfällig für das Anhaften von Bakterien (O'Grady et al., 2002). Weiterhin empfiehlt das Bundesgesundheitsblatt et al. (2002), periphere Venenverweilkanülen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bzw. Teflon oder Polyurethan herzustellen, da sie im Gegensatz zu PVC oder PE das Risiko für Phlebitis und Infektionen durch Bakterien im Blut senken. Außerdem ist das Risiko für Thrombophlebitis laut einer Studie von Tagalakis et al. (2002) bei PEU geringer als bei Teflon. Allgemein sollte das Material möglichst biokompatibel oder mit biokompatiblen Beschichtungen versehen sein, da die Kanülen einige Zeit im Körper bleiben.

1.2 Biokompatibilität

1.2.1 Definition

In der Literatur finden sich zahlreiche Definitionen für den Begriff Biokompatibilität. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen in verschiedenen Bereichen, sollte die Biokompatibilität für jede Anwendung separat abgegrenzt werden. Allgemein versteht man darunter die Verträglichkeit (Akzeptanz oder Zurückweisung) zwischen einem technischen und einem biologischen System (Wintermantel & Ha, 2002). Weiterhin unterscheiden Wintermantel und Ha (2002) die Strukturkompatibilität und die Oberflächenkompatibilität: Die strukturelle Biokompatibilität meint die Anpassung der Form und inneren Struktur des Implantates an das Empfängergewebe (z.B. Faserausrichtung). Unter der Oberflächenkompatibilität versteht man die Veränderung der chemischen, physikalischen, biologischen und morphologischen Oberflächeneigenschaften, um das Implantat für das Empfängergewebe verträglicher zu machen. Dazu gehört z.B. auch das Beschichten eines nicht-biokompatiblen Werkstoffes mit einer biokompatiblen Schicht. Eine weitere Definition ist die „No“-Definition nach Bruck (1973). Nach dieser Definition sind Werkstoffe nur dann absolut biokompatibel, wenn sie keinerlei Reaktionen im biologischen System auslösen. Tabelle 2 listet die Forderungen auf, die in den meisten Fällen nur zum Teil erfüllt werden können.

Tabelle 2: „No“-Definition der Biokompatibilität

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Biokompatibilität von Implantaten umfasst außerdem Toxizität, Gewebe- und Blutverträglichkeit (Y.-X. Wang, Robertson, Spillman, & Claus, 2004). Hierbei steht im Fall der Venenverweilkanülen die Blutverträglichkeit im Vordergrund, die in dieser Arbeit hauptsächlich betrachtet werden soll.

1.2.2 Testen

Die Bestimmung der Biokompatibilität erfolgt mit Hilfe von in vitro- und in vivo-Methoden. Erst wenn diese Tests erfolgreich sind, werden klinische Studien am Menschen vorgenommen. Zu Beginn werden in vitro-Tests mit isolierten Zellkulturen durchgeführt, d.h. Zell-, Gewebe- und Organtests (Wintermantel & Ha, 2002). Dabei sollen die physiologischen Bedingungen im menschlichen Körper nachgebildet und möglichst die gleichen Zellen verwendet werden, die später im Patienten mit dem Implantat in Berührung kommen. Es können dann bereits Wechselwirkungen der Zell- bzw. Gewebekulturen mit dem Werkstoff beobachtet werden, wie z.B. Veränderungen der Implantatoberfläche, Herauslösen von Werkstoffbestandteilen sowie Reaktionen von Blutzellen (Wintermantel & Ha, 2002). Wird der Implantatwerkstoff in vitro als biokompatibel befunden, können in vivo-Tests an Tieren wie z.B. Mäuse, Ratten, Hunde oder Hasen durchgeführt werden und somit Veränderungen im natürlichen Gewebe und Organismus festgestellt werden.

1.3 Blutverträglichkeit

1.3.1 Zusammensetzung des Blutes

Das Blut besteht zu 55-60% aus Blutplasma, das 90% Wasser und 10% Proteine (Albumine, Globuline, Fibrinogen), Elektrolyte und Transportstoffe (Kohlenhydrate, Fette, Immunkörper, Enzyme usw.) enthält. Die anderen 40-45% sind zelluläre Bestandteile, d.h. Erythrozyten (rote Blutkörperchen, verantwortlich für den Sauerstofftransport), Leukozyten (weiße Blutkörperchen, verantwortlich für die Immunabwehr) und Thrombozyten (Blutplättchen), die bei Verletzungen für die Blutstillung und -gerinnung verantwortlich sind (Ebel, 1990; Wintermantel & Ha, 2002).

1.3.2 Blutgerinnung

Bei Verletzungen des Gewebes müssen die Blutungen gestoppt werden, damit es nicht zu höheren Blutverlusten kommt. Die Hämostase (Blutstillung) besteht aus zwei Teilen: Zuerst verengt sich das Blutgefäß und die offene Stelle wird durch Adhäsion (Anheftung) und Aggregation (Verklebung) von Thrombozyten verschlossen. Der zweite Teil, die eigentliche Blutgerinnung zur Verstärkung des Thrombozytenpfropfens erfolgt durch eine Kette an Aktivierungen von Gerinnungsfaktoren (vorwiegend Proteine), an deren Ende die Umwandlung von Fibrinogen in Fibrin mit katalytischer Hilfe von Thrombin steht. Es bildet sich ein Thrombus, der nach dem Vorgang genau wie das Fibrin wieder abgebaut wird.

[...]


1 Quelle: http://www.dooyoo.de/medizinisch-technische-hilfsmittel/vasofix-braunuele-g22-25mm-kanuele-1-st/

Ende der Leseprobe aus 30 Seiten

Details

Titel
Einfluss von Oberflächenstrukturen auf die Biokompatibilität bei medizinischen Implantaten
Hochschule
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)  (Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT))
Note
1,0
Jahr
2013
Seiten
30
Katalognummer
V300853
ISBN (eBook)
9783656970163
ISBN (Buch)
9783656970170
Dateigröße
760 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Oberflächenstrukturen, Biokompatibilität, medizinische Implantate, Venenverweilkanüle, Katheter, Blutverträglichkeit, Biofilm, Thrombose
Arbeit zitieren
Anonym, 2013, Einfluss von Oberflächenstrukturen auf die Biokompatibilität bei medizinischen Implantaten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/300853

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