PEEK vs. Metall-Implantate: Vorteile und Herausforderungen

Knochenintegration mit PEEK

Traditionelle Metallmaterialien für Hartgewebeimplantate

Herkömmliche metallische Werkstoffe für Hartgewebeimplantate wie Edelstahl, Titan und deren Legierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, gute Biokompatibilität und Ermüdungsbeständigkeit häufig im Bereich der Reparatur und des Ersatzes von Hartgewebe eingesetzt. Der Elastizitätsmodul dieser herkömmlichen Metallimplantate ist jedoch weitaus höher als der des Knochengewebes, so dass es schwierig ist, einen angemessenen Festigkeitsgradienten zu bilden. Wenn Patienten bestimmten äußeren Kräften ausgesetzt sind, können die umliegenden normalen Organe geschädigt werden, was zu einem Versagen des Implantats führen kann, was als "Stress-Shielding"-Effekt bezeichnet wird.

Außerdem können Metallimplantate schädliche Metallionen freisetzen, die den Knochen auflösen oder Allergene bilden. Außerdem sind Metallimplantate mit den gängigen bildgebenden Verfahren wie MRT- und CT-Scans nicht kompatibel, was die Überwachung von Knochenwachstum und -heilung erschwert. Die chemische Struktur des thermoplastischen technischen Kunststoffs PEEK verleiht ihm hervorragende mechanische Eigenschaften, gute Biokompatibilität, chemische Beständigkeit, einfache Verarbeitung und die Fähigkeit, wiederholt sterilisiert zu werden. Seit den 1980er Jahren hat PEEK zunehmend die Aufmerksamkeit von Materialwissenschaftlern und orthopädischen Forschern auf sich gezogen, da es sich als Ersatz für metallische Materialien im Bereich der Reparatur und des Ersatzes von Hartgewebe eignet.

Vorteile von PEEK gegenüber Metallimplantaten

Im Vergleich zu Metallimplantaten hat PEEK zwei wesentliche Vorteile:

Elastizitätsmodul: Der Elastizitätsmodul von PEEK liegt nahe an dem des kortikalen Knochens, insbesondere bei kohlenstofffaserverstärktem PEEK, das dem Elastizitätsmodul des kortikalen Knochens besser entspricht. Diese Annäherung oder Übereinstimmung des Elastizitätsmoduls reduziert oder eliminiert den Stress-Shielding-Effekt bis zu einem gewissen Grad, fördert die Knochenintegration zwischen dem Implantat und dem Knochengewebe und gewährleistet die langfristige Stabilität des PEEK-Implantats.

Kompatibilität mit der Bildgebung: PEEK ist röntgenstrahlendurchlässig und erzeugt keine Artefakte bei Röntgen-, CT- oder MRT-Scans, was die Überwachung des Knochenwachstums und der Heilung erleichtert. Darüber hinaus verfügt PEEK über eine gute Biokompatibilität, Verschleißfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und ist im Vergleich zu metallischen Materialien leicht. Diese Vorteile machen PEEK zu einem weit verbreiteten Material für Trauma-, Wirbelsäulen- und Gelenkanwendungen.

Im Vergleich zu Edelstahl, Titanlegierungen und Implantaten aus ultrahochmolekularem Polyethylen weisen PEEK und seine Verbundwerkstoffe eine gute Verschleißfestigkeit auf, die Entzündungen und Knochenauflösung durch Verschleißpartikel um das Implantat herum wirksam verhindert. Daher gilt Polyetheretherketon als einer der Kandidaten für den Ersatz herkömmlicher Implantate in orthopädischen Anwendungen.

Nachteile von PEEK in orthopädischen Implantaten

PEEK hat aufgrund seiner hydrophoben Oberfläche eine relativ geringe Oberflächenenergie, was die Zelladhäsion einschränkt. Diese Bioinertheit führt zu einer schlechten Knochenintegration zwischen PEEK-Implantaten und Wirtsknochengewebe, was zu Komplikationen wie Implantatverschiebungen, Cage-Senkungen oder Pseudoarthrosen führt, die sowohl in In-vitro- als auch in klinischen Studien zu unbefriedigenden Ergebnissen geführt haben.

Eine ideale PEEK-Oberfläche sollte die Zelladhäsion, Proliferation und Osteoblastendifferenzierung unterstützen und die Mineralisierung der PEEK-Implantatoberfläche fördern, um eine substanzielle Knochenfusion zu erreichen.

Um eine ideale PEEK-Oberfläche zu schaffen, haben Forscher eine Reihe von PEEK und seinen Verbundwerkstoffen durch Methoden wie bioaktive Keramikfüllung, Faserverstärkung und PEEK-Porositätsmodifikation entwickelt. Das ultimative Ziel ist es, ein Implantatmaterial zu schaffen, das die Funktion der Vaskularisierung und des Nährstofftransports aufrechterhält und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Festigkeit und Verschleißbeständigkeit bietet. Das Gleichgewicht zwischen all diesen Faktoren bleibt jedoch eine Herausforderung in der aktuellen Forschung.