Oberflächenmodifikation von Titanlegierungen für antibakterielle Implantate

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche Ansätze zur Verbesserung von Implantatoberflächen studiert, um eine biokompatible und antibakterielle Kontaktfläche für den Knochen zu kreieren. Die angestrebte Nanostruktur von 100 nm wurde erfolgreich durch Anodisierung von Ti und Ti-Legierungen unter Variation der Bedingungen hergestellt. Der Zusatz von Phosphat führte zur erwünschten Inkorporation von Phosphat in die TiO2-Schicht, um die biologische Verträglichkeit zu steigern. Das elektrochemische Verhalten von Silber, Kupfer und Selen wurde zyklovoltammetrisch untersucht und die Nanostruktur anschließend elektrochemisch befüllt. Zudem wurde die nanostrukturierte Oberfläche als Templat und Verankerung für Hydroxyapatit verwendet. Durch Koabscheidung von Selen wurde die Schichthaftung verbessert, wodurch eine Oberflächentopographie aus nadelförmigen und sphärischen Kristallen entstanden ist. Die elektrochemisch und chemisch behandelten Oberflächen wurden mit EDX, REM, FIB, RAMAN Spektroskopie and XRD charakterisiert. Die hergestellten Proben wurden in in-vitro Experimenten auf ihre antibakterielle Wirkung gegen Staphylococcus epidermidis getestet. Alle Proben, welche Selen bzw. Selenverbindungen beinhalteten, erwiesen sich als antibakteriell aktiv gegenüber diesem multiresistenten Bakterienstamm

In order to create an antibacterial effect originating from the implant surface, surface modifications of Ti and Ti6Al4V alloy were carried out. The materials were first subjected to anodization to nanopattern the surface. Anodization parameters, the electrolyte composition and acidity were varied in order to grow uniform phosphate-doped nanotube-shaped structures with a diameter of 100 nm to improve biocompatibility. Subsequently, Se and Se alloys (Ag2Se and Cu2Se) were uniformly incorporated into the titania nanotubes by pulsed electrodeposition for enhancement of antibacterial properties. Se-doped hydroxyapatite top coats were then deposited by precipitation. The electrochemical response of modified Ti-based substrates and the electrodeposition process of Se and Se alloys were studied by cyclic voltammetry. Electrochemically and chemically treated surfaces were characterized by EDX, SEM, FIB, RAMAN spectroscopy and XRD. Selected samples were submitted to medical in-vitro tests and selenium related layer systems have proven to successfully suppress biofilm formation of Staphylococcus epidermidis.