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1. Geschichte des Kunststoffes in der Medizin
- klinische Einsatz von Polymeren Beginn in 60er Jahren
- nicht nur ökonomische, sondern auch hygienische Gründe :
Infektionen bedeutsam reduziert durch Einsatz von sterilen Einwegartikel (vorher wieder verwendbare Artikel aus Glas und metallischen Werkstoffen)
- einfache und preisgünstige Verarbeitbarkeit in eine Vielzahl von Formen und Geometrien, breites Eigenschaftsspektrum
- steigende Anzahl synthetische Polymere + zunehmender Bedarf an ärztlicher Versorgung à Anwendung von Polymeren in Medizin: günstigen Einwegartikel bis zu Implantaten
- in fast allen medizinischen Bereichen genutzt:
2. Anwendungsgebiete für Polymere in der Medizintechnik
Therapie
Ø Implantate (z.B. künstliche Blutgefäße, Herzklappen oder Hüftgelenk-, Gesäßprothesen)
Ø Einwegartikel (z.B. Katheter, Schlauchsysteme)
Ø abbaubare Strukturen (z.B. Nahtmaterial)
Ø neue Technologien für Gewebekulturen (tissue engineering *1)
Ø Medikamentfreisetzung (controlled drug delivery systems) à
Diagnostik
Ø Diagnostik-Hilfsmittel für die klinische Labortestung
3. Grundanforderungen an Materialien für die Medizintechnik
· Biokompatibilität:
- Biomaterialien = Werkstoffe die in direkten Kontakt mit menschlichem Körper kommen
Ä dürfen keine schädigende Wirkung auf Organismus sondern vom Körper toleriert oder günstigster Fall: wie körpereigenes Material akzeptiert
- ob ausreichende Biokompatibilität à abhängig Einsatzort und Einsatzdauer
« Materialien, die mit Blut oder Bestandteilen à müssen hohe Blutverträglichkeit (Hämokompatibilität) ODER Gewebeverträglichkeit
- Biokompatibilität = Körperverträglichkeit
= geringste mögliche Auslösung von Fremdkörper- Abwehrreaktion
· immer Grundanforderung: keine toxische Wirkung auf den Organismus à Test auf mögliche Zelltoxizität (Zytotoxizität) à geht allen weiteren Untersuchungen voran, um Grundtauglichkeit als Biomaterial zu testen
· keine Mutagenität
· je nach Anwendung möglichst frei von Additiven, wie z.B. Weichmacher, Antioxidantien oder Stabilisatoren
· Prozessierbarkeit mit konventionellen Herstellungsmethoden
· Sterilisierbarkeit
· geeignete Funktionseigenschaften (Langzeitstabilität oder Abbaubarkeit; genügend hohe mechanische Eigenschaften - Härte, Elastizität, Permeabilität [Durchlässigkeit])
· Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit
· Recyclebarkeit
· Intelligenz (was Biomaterialien leisten -> abbauen)
- viele Polymere, heute klinisch eingesetzt à ursprünglich für andere Anwendungen
- z.B. Polymere aus Textilindustrie à heute in der Medizin als künstliche Blutgefäße eingesetzt
4. Übersicht über polymere Bioverbindungen und ihre Anwendung
hier eine ziemlich große, damit ihr mal seht, wie viele verschiedene Einsatzgebiete und vor allem wie viele Polymere es gibt
4.1Kunstgelenke
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- in der Regel: Paarung Stahl - so genanntes Ultrahigh Molecularweight Polyethylen (UHMWPE) à ultrahochmolekulargewichtiges Polyethylen
- heute jährlich 180.000 Hüftgelenk-OPs durchgeführt
- Erfolgsquote nach 95 %
- sogar in Freiberg jährlich ca. 80 OPs
Vorteile: sehr niedrige Reibung, niedrige Kosten
Nachteile: PE = weicher als Metall à reibt sich ab
(Partikel unter 1 μm) -> hydrophob (nicht in Wasser löslich - wasserabweisend)
à kein Aggregieren (Vermischen oder Lösen oder Zusammenmischen) im wässrigen Milieu des Körpers
Entzündungszellen reagieren dagegen à können sie nicht verdauen à Zellen setzen weitere Entzündungsstoffe frei,
z.T. werden knochen-abbauende Zellen (Osteoklasten) aktiviert
auf lange Sicht (10-15 Jahre) à Prothesenlockerung
Knochenzement:
- in der Regel Kunstgelenke weltweit einzementiert
- hierzu: PMMA Polymethylmethacrylat
- im OP-sall beiden Komponenten: Pulver (meist PMMA und Zusatzstoffe [Barium-Salze für Röntgenkonrast, Antibiotika, Farbstoffe] und Flüssigkeit (meist MMA) zusammen
Vorteile: gut zu verarbeiten, lange Erfahrung
Pufferfunktion zwischen elastischen Knochen und rigiden (streng, steif, starr) Implantatmaterial
Nachteile: große Hitze bei der Polymerisation à schädigt Gewebe
mäßig gute Bioverträglichkeit (besonders früher: bei ungleichmäßiger Mischung, Blasen, Wassereinschluss à verringerte mech. Stabilität à Zement nach Jahren bröselig)
geänderte OP-Techniken (Z.B.: Mischen in Unterdruck)
von Monomeren oft behauptet: Blutdruck-Abfall (jedoch nicht erwiesen)
PMMA R=CH3
- unter Bezeichnung Plexiglas ® bekannt
- harter, biegsamer, glasartiger Kunststoff
- Thermoplast
- radikalische Polymerisation
à Startpunkt für Wachstum der Polymerkette
4.2 Perfekt verpacken, exakt dosieren
o Drug-Realease Devices: Implantate, die Medikament über lange Zeit freisetzen
= Arzneimittel mit gezielt verlängerter Wirkweise
o dadurch: lokal hohe Wirkstoff-Konzentration (Antibiotika oder Krebs-Therapeutika)
o oder: langanhaltende, gleichmäßige Konzentration (implantierbare "Pille", auch Retard- oder Depot-Medikamente)
o viele Spezial-Polymere (oft Polyurethane) à entweder wasserlöslich oder biologisch abbaubar
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o für Arzneimittelwirkstoffe gibt es sehr viele verschiedene Möglichkeiten zur Verpackung (ÜBERSICHT)
o Kunststoffverpackungen Schutz der empfindlichen Medikamente mechanischen Beschädigungen, Feuchtigkeit, Schmutz + Licht
o PVC-Folien weltweit das mit Abstand wichtigste Packmittel im Bereich von Durchdrückpackungen in der Pharmaindustrie
4.1 Kardiovaskuläre Implantate aus Kunststoff
= Herz und Gefäße sowie das Herz-Kreislauf-System betreffend
- ersten Klappen aus rostfreiem Stahl + Silikonkautschuk à recht beständig, aber Patienten - blutgerinnungshemmende Mittel
- zweiter Weg mit Herzklappen aus chem. modifizierten Tiergewebe à weniger haltbar
- heute Kunststoff (mech. Festigkeit und bessere Blutverträglichkeit zu erzielen) à Oberfläche so glatt wie möglich
4.1.1 Lebensretter Kunstherz
- künstliches Herz = längst keine Utopie mehr
- Menschen mit Herzerkrankungen Anschließen bis eigenes Herz erholt oder ein Spenderorgan zur Verfügung
- Forschung geht hier ständig weiter, um vorhandene Systeme zu perfektionieren
- bei Operationen am offenen Herzen à auch ganz direkt der Kunststoffe: mit Polymerlösung während OP Ausgleich Blutverlust und Ersatz natürliches Blut
- Material: Polyurethan
« abgekürzt PUR
- ausgesprochen vielseitige Kunststoffe,
o Weiches, aufgeschäumtes Polyurethan für Kissen, Matratzen und Verkleidungen
o Hartes Polyurethan dagegen in der Automobilindustrie, im Bauwesen und für Möbelindustrie
« thermoplastische Kunststoffe
« enthalten Urethan-Bindungen
« Diese Polymere entstehen durch die Polyaddition von Isocyanaten und Polyalkoholen.
Polyalkohol: HO[-CH2-CH2-O]n-CH2-OH
Isocyanate: Salze und Ester der Isocyansäure. Die Isocyansäure (H-N=C=O) ist eine reaktive Säure.
Bedeutung: Diisocyanate als wichtige Zwischenprodukte zur Herstellung von Kunststoffen
z.B.: 2,6-Toluoldiisocyanat: CH3C6H3(NCO)2
Diisocyanat: O=C=N-R-N=C=O
4.1.2 Herzklappentransplantation
o Vorhandensein von 4 Herzklappen: Trikuspidalklappe, Pulmonalklappe, Mitralklappe, Aortenherzklappe
o Funktionieren wie Ventile, die durch koordiniertes Öffnen und Schließen für richtige Fließrichtung des Blutes verantwortlich
o Bau: aus flexiblen, dünnen, aber eher robusten Gewebelappen à bei jedem Herzschlag Dehnung und Druck ausgesetzt (Herz schlägt täglich ca. 100.000 mal und pumpt 8.000 bis 10.000 Liter Blut)
o durch krankhafte Veränderung d. Herzklappen wird deren Funktion wesentlich verändert à Einschränkung der Pumpfunktion des Herzens
o Auswirken (in fortgeschrittenem Stadium) auf andere Organe wie Lunge, Leber und Nieren
mögliche Veränderungen
o Herzklappe kann sich nicht ausreichend öffnen (Klappenstenose) à Blutfluss behindert
o kann sich nicht vollständig schließen (Klappeninsuffizienz) à größere Menge fließt
o kombinierter Herzklappenfehler: Klappenstenose und -insuffizienz gleichzeitig
Behandlungsmethoden: medikamentös, operative Herzklappenkorrektur, operativer Ersatz der erkrankten Herzklappe
Implantate: natürliche Herzklappenprothesen (natürliche Herzklappen vom Schwein - chemisch und physikalisch verändert) und mechanische Herzklappenprothesen
à aus extrem beständigen Materialien wie Metall oder Kunststoff
à äußeren Ring aus synthetischem Gewebe (Dacron oder Teflon) ð Ring = um Herzklappe in Gewebe des Patientenherzens einnähen zu können
à eher unscheinbares Aussehen: dahinter verbirgt komplexe Technologie, sorgfältige Konstruktion und jahrelange Untersuchungen
à durch Materialien: oft unbegrenzte Haltbarkeit -> bis ans Lebensende
4.1.3 Gefäßpatch, Gefäßprothesen
ð nahtloses Kunststoffrohr (angemessener Länge, evtl. mit vorgefertigten Abgangsstellen für größere Äste) als Gefäßersatz
ð v.a. zur Überbrückung von Gefäßdefekten
ð oft aus Polytetrafluorethylen (auch Polytetrafluorethen) à Teflon ®
ð biol. Gefäßoberfläche nachzubilden à Teflon
o an Bratpfanne: nichts bleibt haften
o diese Eigenschaft anhand seiner molekularen Struktur:
ð Fluor = gelbes, giftiges, stark ätzendes Gas
ð besitzt von allen Elementen die größte Elektronegativität von 4,0
ð Bindung zwischen Fluor- und C-Atomen = stärkste Einfachbindung, die C eingehen kann
ð Bindung sehr polar à große Anziehungskräfte zwischen Polymerketten
Ä diese Eigenschaften im Kleinen à bestimmen Eigenschaften der Substanz im Großen
ð Teflon = weiße, harte Masse mit hoher Chemikalienbeständigkeit
ð selbst Königswasser (Mischung aus Salz- und Salpetersäure à löst sogar edles Gold) greift Teflon nicht an
ð thermoplastischer Kunststoff, Polymerisation von Tetrafluorethen (giftiges Gas)
ð Schmelztemperatur erst bei ca. 325°C
4.3 Wegwerfartikel aus Kunststoff
Katheter
- meist flexible hohle Instrumente, die dafür benutzt, um in Hohlorgane (Blase, Magen oder Gefäße), natürliche Körperhöhlen (Bauchhöhle) oder erworbene Hohlräume (Abszesshöhle) zu gelangen
- dort können dann Körperflüssigkeiten bzw. Sekrete entnommen oder Medikamente eingebracht
- wichtigstes Ausgangsprodukt: Kunststoffschlauch
Materialien und ihre wichtigsten Eigenschaften:
* Gummi: formstabil und haltbar
- natürlich aus der Latexmilch des Gummibaumes oder synthetisch
- klassisches Kathetermittel à heute nicht mehr sooft eingesetzt
* Polyurethane: ausgezeichnete Eigenschaften, häufig für Massenartikel eingesetzt
- besonders günstige Eigenschaften: ausgezeichnete Biokompatibilität durch hydrophile (wasserliebende) Oberfläche, Knickbeständigkeit, Beständigkeit gegen Gammastrahlen (zur Sterilisierung verwendet), gewebeschonende Eigenschaften durch Erweichung bei Temperatur und Beständigkeit geg. hohen Druck
* Polyamide: hohe Festigkeit, Steifigkeit + gute Gleiteigenschaften
* Teflon (z.B. gut gleitende Oberfläche)
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