Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen: Implantate für Medizin und Umwelt
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer
1996
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BIOKOMPATIBLE WERKSTOFFE
UND BAUWEISEN
IMPLANTATE FUER MEDIZIN UND UMWELT
MIT 202 ABBILDUNGEN
SPRINGER
INHALTSVERZEICHNI
S
I
. GRUNDLAGE
N
1. EINLEITUNG 1
2. BIOKOMPATIBILITAET 6
2.1 DEFINITIONEN 6
2.2 IMPLANTAT-GEWEBE-INTERAKTIONEN 8
3
. BIOFUNKTIONALITAET 11
3.1 LASTUEBERTRAGUNG 11
3.2 GELENKERSATZ 12
3.2.1 TRIBOLOGIE 12
3.2.2 REIBUNG. 13
3.2.3 SCHMIERUNG 14
3.2.4 VERSCHLEISS 14
3.3 TRANSPORT VON FLUESSIGKEITEN 16
3.4 OPTISCHE UND AKUSTISCHE UEBERTRAGUNG 17
3.5 KONTROLLE DER FREISETZUNG VON ARZNEISTOFFEN 17
4. STERILISATION 18
4.1 HITZESTERILISATIONSVERFAHREN 19
4.1.1 DAMPFSTERILISATION 19
4.1.2 HEISSLUFTSTERILISATION 19
4.2 KALTSTERILISATIONSVERFAHREN 2
0
4.2.1 GASSTERILISATION 20
4.2.2 STERILISATION MIT IONISIERENDER BESTRAHLUNG. 22
4.3 STERILISATIONSVERFAHREN MIT WAESSRIGEN LOESUNGEN 23
4.4 STERILISATIONSPRUEFUNG 23
4.5 GRUNDBEGRIFFE 2
4
II
. DA
S BIOLOGISCH
E SYSTEM
5. ZELLEN 2
5
5.1 EINLEITUNG 25
5.2 ZELLAUFBAU 26
5.2.1 ZELLMEMBRAN 2 7
5.2.2 ZYTOPLASMA. 28
5.2.3 ZELLKERN 28
5.2.4 MITOCHONDRIEN 28
5.2.5 ENDOPLASMATISCHES RETIKULUM 30
5.2.6 GOLGI-APPARAT 30
5.2.7 LYSOSOMEN 31
5.2.8 ZYTOSKELETT. 31
XIV
INHALTSVERZEICHNIS
5.3 ZELLTEILUNG 3
2
5.4 DIFFERENZIERUNG DER ZELLE 3
5
5.5 ZELLKONTAKTE UND WERKSTOFFE 3
6
6. BLUT 3 7
6.1 ZUSAMMENSETZUNG UND FUNKTION 3
7
6.2 ZELLULAERE BESTANDTEILE DES BLUTES 3 8
6.2.1 ERYTHROZYTEN 38
6.2.2 LEUKOZYTEN 39
6.2.3 THROMBOZYTEN 39
6.3 BLUTKREISLAUF 4
0
6.4 BLUTSTILLUNG UND BLUTGERINNUNG 4
0
6.5 BLUTKONTAKT UND HAEMOKOMPATIBILITAET 4
3
7. GEWEBE 4
4
7.1 EINLEITUNG 4
4
7.1.1 EPITHELGEWEBE 44
7.1.2 BINDE- UND STUETZGEWEBE 45
7.1.3 MUSKELGEWEBE 47
7.1.4 DAS NERVENGEWEBE 47
7.2 KNORPELGEWEBE 4
7
7.3 KNOCHENGEWEBE 4
9
7.3.1 STRUKTURELLER AUFBAU 49
7.3.2 CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG. 51
7.3.3 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN 52
7.3.4 KNOCHENZELLEN 52
7.3.5 KNOCHENENTSTEHUNG (OSSIFIKATION) 53
7.3.6 KNOCHENWACHSTUM 55
7.3.7 KNOCHENBRUCHHEILUNG 56
8. IMMUNSYSTEM 6
0
8.1 DIE ZELLEN DES IMMUNSYSTEMS 60
8.1.1 GRANULOZYTEN 62
8.1.2 MONOZYTEN UND MAKROPHAGEN 63
8.1.3 LYMPHOZYTEN 64
8.2 PHAGOZYTOSE UND PINOZYTOSE 66
9. BIOKOMPATIBILITAETSTESTUNG MIT ZELL- UND GEWEBEKULTUREN 6
7
9.1 EINLEITUNG 6
7
9.2 IN VITRO-KULTUREN 6
8
9.2.1 ZELLKULTUREN 68
9.2.2 GEWEBE- UND ORGANKULTUREN 72
9.2.3 KULTURBEDINGUNGEN 72
9.3 IN VITRO-METHODEN ZUR BESTIMMUNG DER BIOKOMPATIBILITAET 75
9.3.1 BESTIMMUNG DER ZELLZAHL 77
9.3.2 BESTIMMUNGEN DER ZELLVITALITAET 79
9.3.3 TOXIZITAETSTESTS (SCREENING TESTS) 81
9.3.4 REAKTIONSTESTS (RESPONSE TESTS) 84
9.4 IN VIVO-TESTS 8
6
9.5 VERGLEICH ZWISCHEN IN VITRO- UND IN VIVO-TESTS 86
9.6 AUSBLICK 88
10. REAKTIONEN DES MENSCHLICHEN KOERPERS AUF WERKSTOFFE UND BAUTEILE 89
10.1 ENTZUENDUNGSREAKTIONEN 89
10.2 ALLERGISCHE REAKTIONEN 89
INHALTSVERZEICHNIS XV
10.3 ABWEHR PARTIKULAERER SUBSTANZEN, WELCHE UEBER DIE ATMUNG IN DEN
KOERPER EINGETRAGEN WERDEN 91
10.3.1 EINLEITUNG. 91
10.3.2 INHALATION VON FLUGASCHE 93
10.3.3 INHALATION VON INDUSTRIELL HERGESTELLTEN FASERN 94
10.4 ASBESTPROBLEMATIK 9
6
11. TISSUE ENGINEERING 9
8
11.1 EINLEITUNG 9
8
11.2 GRUNDLAGEN DES TISSUE ENGINEERING 101
11.2.1 STRUKTUR UND AUFBAU NATUERLICHER GEWEBE 101
11.2.2 STRUKTUR UND AUFBAU KUENSTLICHER GEWEBE 103
11.2.3 FUNKTIONALE ELEMENTE: DIE OBERFLAECHE 103
11.2.4 FUNKTIONALE ELEMENTE: DIE ARCHITEKTUR 105
11.2.5 ARCHITEKTUR: DAS ANORDNUNGSPRINZIP 106
11.2.6 ARCHITEKTUR: HIERACHISIERUNG DURCH SUPERSTRUKTUREN 107
11.3 METHODIK 108
12. ERWEITERUNG DER BIOKOMPATIBILITAET AUF OEKOSYSTEME UND WERKSTOFFE 110
12.1 EINLEITUNG 110
12.2 GESETZLICHE GRUNDLAGEN 111
12.3 RECYCLING - DOWNCYCLING - UPCYCLING 113
12.4 SCHWERPUNKTPROGRAMM UMWELT 114
12.5 UMWELTCHEMIE 115
12.6 OKOTOXIKOLOGIE UND GEOGENE REFERENZ 116
12.7 OEKOLOGIE, OKOBILANZIERUNG, OKOTOXIKOLOGIE, OKOKOMPATIBILITAET 117
12.8 ABFALLVERWERTUNG 119
12.8.1 HERKOEMMLICHE ROSTFEUERUNG. 119
12.8.2 SIEMENS-SCHWEL-BRENN-VERFAHREN 123
12.8.3 THERMOSELECT-VERFAHREN 123
12.8.4 HSR-VERFAHREN (HOLDERBANK-SCHMELZ-REDOX-VERFAHREN) 124
12.8.5 ABFALLVERWERTUNG 126
12.9 TOXIZITAETSUNTERSUCHUNGEN 127
12.9.1 EINLEITUNG. 127
12.9.2 CHEMISCHE TOXIZITAETSTESTS 128
12.9.3 BIOLOGISCHE TOXIZITAETSTESTS 129
12.9.4 TOXIZITAET VON BEHANDELTEN UND UNBEHANDELTEN RUECKSTAENDEN.... 132
12.10 QUANTITATIVE TOXIZITAETSTESTS 136
III
. DA
S WERKSTOFFSYSTE
M
13. WERKSTOFFE IN DER MEDIZIN 137
14. BIOKOMPATIBLE METALLE 139
14.1 EINLEITUNG UND GESCHICHTLICHER RUECKBLICK 139
14.2 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN 141
14.3 KORROSION 143
14.3.1 UNTERSUCHUNG DER KORROSIONSBESTAENDIGKEIT VON METALLISCHEN
IMPLANTATWERKSTOFFEN 144
14.3.2 PASSIVIERUNG 145
14.3.3 KORROSIONSARTEN 146
14.3.4 WEITERE KORROSIONSARTEN 147
XVI
INHALTSVERZEICHNIS
14.4 BIOKOMPATIBILITAET 148
14.4.1 IN VITRO- KORROSIONSUNTERSUCHUNGEN 148
14.4.2 KORROSION UND GEWEBEREAKTION 149
14.4.3 LOESLICHKEIT UND TOXIZITAET 151
14.4.4 SCHLUSSBEMERKUNG ZUR BIOKOMPATIBILITAET VON METALLISCHEN
IMPLANTATWERKSTOFFEN 152
14.5 ROSTFREIE STAEHLE 152
14.5.1 KORROSIONSBESTAENDIGKEIT. 15 3
14.5.2 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN 154
14.5.3 BIOKOMPATIBILITAET. 155
14.6 KOBALTLEGIERUNGEN 155
14.6.1 KORROSIONSBESTAENDIGKEIT. 157
14.6.2 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN 158
14.6.3 BIOKOMPATIBILITAET. 158
14.7 TITANLEGIERUNGEN 159
14.7.1 KORROSIONSBESTAENDIGKEIT. 159
14.7.2 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN 161
14.7.3 BIOKOMPATIBILITAET. 161
15. BIOKOMPATIBLE POLYMERE 163
15.1 SYNTHETISCHE POLYMERE 166
15.1.1 POLYETHYLEN (PE) 166
15.1.2 POLYETHYLENTEREPHTHALAT (PET) 168
15.1.3 POLYVINYLCHLORID (PVC) 170
15.1.4 POLYCARBONATE (PC) 172
15.1.5 POLYAMIDE (PA) 173
15.1.6 POLYTETRQFLUORETHYLEN (PTFE) 175
15.1.7 POLYMETHYLMETHACRYLAT (PMMA) 177
15.1.8 POLYURETHANE 182
15.1.9 POLYSILOXANE 187
15.1.10 POLYETHERETHERKETON (PEEK) 189
15.1.11 POLYSULFON (PSU) 191
15.1.12 WEITERE SYNTHETISCHE POLYMERE 192
15.2 NATUERLICHE POLYMERE 194
15.2.1 KOLLAGEN 194
15.2.2 CHITIN UND CHITOSAN 197
15.2.3 FIBRIN 199
15.3 BIODEGRADABLE POLYMERE 20
0
15.3.1 POLYLACTIDE UND POLYGLYKOLIDE 203
15.3.2 POLYHYDROXYALKANOATE 206
15.3.3 POLYCAPROLACTON (PCL) 207
15.3.4 POLYANHYDRIDE 208
15.3.5 POLYORTHOESTER 209
16. BIOKOMPATIBLE KERAMISCHE WERKSTOFFE 21
1
16.1 ALUMINIUMOXID 21
2
16.1.1 KLINISCHE ERGEBNISSE 212
16.2 ZIRKONOXID 21
4
16.2.1 KLINISCHE ERGEBNISSE 214
16.3 HYDROXYLAPATIT 21
6
16.3.1 EINLEITUNG. 216
16.3.2 HERSTELLUNG 216
16.3.3 CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG UND KRISTALLSTRUKTUR 217
16.3.4 EIGENSCHAFTEN 218
16.3.5 HYDROXYLAPATITBESCHICHTUNGEN 221
INHALTSVERZEICHNIS
16.3.6 PLASMAGESPRITZTE HA-BESCHICHTUNGEN FUER DIE MEDIZINISCHE
ANWENDUNG 225
16.3.7 KLINISCHE ERGEBNISSE 225
16.4 BIOGLAS 22
7
16.4.1 EINLEITUNG. 227
16.4.2 HERSTELLUNG 227
16.4.3 CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG. 227
16.4.4 EIGENSCHAFTEN 229
16.4.5 KLINISCHE ERGEBNISSE UND ANWENDUNGEN 231
17. ANISOTROPE BIOKOMPATIBLE FASERVERBUNDWERKSTOFFE 23
2
17.1 EINLEITUNG 23
2
17.2 FUNKTIONELLE EINHEITEN EINES KOHLENSTOFFASERVERSTAERKTEN
VERBUNDWERKSTOFFES 23
3
17.2.1 DIE FASER. 233
17.2.2 DIE MATRIX 234
17.2.3 INTERPHASEN UND INTERFACES IN VERBUNDWERKSTOFFEN 235
17.2.4 DER FASER-MATRIX-VERBUND. 239
17.2.5 EINFLUSS DER FASERARCHITEKTUR (TEXTILE ANORDNUNG VON FASERN)..
245
17.3 GESTRICKE ALS 3-DIMENSIONALE VERSTAERKUNGSSTRUKTUREN BIOKOMPATIBLER
FASERVERBUNDWERKSTOFFE 24
7
17.3.1 DIE STRUKTUR GESTRICKVERSTAERKTER VERBUNDWERKSTOFFE 247
17.3.2 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN 250
17.4 AUSGEWAEHLTE FERTIGUNGSVERFAHREN FUER BAUTEILE AUS BIOKOMPATIBLEN
FASERVERBUNDWERKSTOFFEN 25
5
17.4.1 EINLEITUNG. 255
17.4.2 PRESSVERFAHREN FUER SPANENDE UND NET-SHAPE -FERTIGUNG, AM
BEISPIEL EINER OSTEOSYNTHESEPLATTE 258
17.4.3 NET-SHAPE -PRESSVERFAHREN 259
17.4.4 SPANENDE FERTIGUNG AUS EINEM GEPRESSTEN HALBZEUG. 260
17.4.5 VERGLEICH DER MECHANISCHEN EIGENSCHAFTEN DER BEIDEN PLATTEN 260
17.4.6 INTRAOPERATIVE ADAPTIERBARKEIT. 262
17.4.7 DISKUSSION 263
17.5 SPRITZGUSS KURZFASERVERSTAERKTER VERBUNDWERKSTOFFE 26
5
17.5.1 FASERORIENTIERUNGSVERTEILUNG IM SPRITZGEGOSSENEN
VERBUNDWERKSTOFF. 265
17.5.2 GEGENTAKTSPRILZGUSS 267
17.6 FLIESSPRESSEN ENDLOSFASERVERSTAERKTER VERBUNDWERKSTOFFE AM BEISPIEL
EINER OSTEOSYNTHESESCHRAUBE 26
8
17.6.1 EIGENSCHAFTEN VON FLIESSGEPRESSTEN KORTIKALISSCHRAUBEN 271
17.6.2 DISKUSSION 273
XL.L SCHLUSSFOLGERUNGEN 27
4
18. OEKOKOMPATIBLE WERKSTOFFE 27
6
18.1 NACHWACHSENDE ROHSTOFFE 27
7
18.2 OEKOKOMPATIBLE POLYMERE 27
8
18.2.1 BIODEGRADABLE FASERN 279
18.3 DEGRADATIONSVERHALTEN VON CELLULOSEFASERVERSTAERKTEM PHB/V
(BIOPOL) 28
1
18.3.1 DEGRADATIONSVERHALTEN DER FASER. 282
18.3.2 DEGRADATIONSVERHALTEN DES VERBUNDWERKSTOFFES 284
18.3.3 DISKUSSION UND ANWENDUNGEN 287
XVIII
INHALTSVERZEICHNIS
IV
. AUSGEWAEHLT
E IMPLANTAT
E
19. HUEFTGELENKS-ENDOPROTHESEN 28
8
19.1 DER HUEFTPROTHESENSCHAFT 28
9
19.1.1 DESIGN DES PROTHESENSCHAFLES 289
19.2 DIE HUEFTPFANNE 29
3
19.2.1 DESIGN DER HUEFTPFANNE 293
19.3 DIE HUEFTGELENKSKUGEL 29
5
19.4 DIE ZEMENTIERTE PROTHESE 29
6
19.5 DIE ZEMENTLOS IMPLANTIERTE PROTHESE 29
7
19.6 ENTWICKLUNG EINES NEUEN HUEFTPROTHESENSCHAFTES AUS EINEM
ANISOTROPEN WERKSTOFF 29
7
19.6.1 MATERIAL. 298
19.6.2 GENERIERUNG EINES 3D-CAD-MODELLS 299
19.6.3 ENTWICKELN DES ZUGEHOERIGEN INSTRUMENTARIUMS 300
19.7 FERTIGUNG DER SCHAFSHUEFTPROTHESEN 30
1
19.7.1 DAS SPRITZGUSSWERKZEUG 301
19.7.2 SPRITZGIESSEN VON KURZFASERVERSTAERKTEN SCHAFSHUEFTPROTHESEN 302
19.8 FASERORIENTIERUNGSVERTEILUNG IN ABHAENGIGKEIT DER
FERTIGUNGSPARAMETER 30
4
19.9 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN DER SCHAFSHUEFTPROTHESEN 30
4
19.9.1 STATISCHE PRUEFUNG 304
19.9.2 THERMISCHE NACHBEHANDLUNG 307
19.9.3 ERMUEDUNGSPRUEFUNG 307
19.10 FOLGERUNGEN AUS DEN MECHANISCHEN UNTERSUCHUNGEN 30
9
19.11 RELATIVBEWEGUNG DER SCHAFSHUEFTPROTHESENSCHAEFTE IM
KNOECHERNEN LAGER DURCH RANDFASERDEHNUNG 3 10
19.11.1 RESULTATE 311
19.12 DISKUSSION 31
4
20. ENTWICKLUNG EINES DEGRADABLEN OSTEOSYNTHESESYSTEMS FUER DIE
GESICHTSCHIRURGIE 3 15
20.1 EINLEITUNG 31
5
20.2 PROZESSENTWICKLUNG 3 17
20.3 RESULTATE UND DISKUSSION 31
8
20.3.1 MORPHOLOGIE 318
20.3.2 MOLEKULARGEWICHT 319
20.3.3 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN 320
20.3.4 KRISTALLINITAET. 322
20.3.5 PH-PROFIL 323
20.4 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK 32
3
21
. IMPLANTATE FUER DEN BANDSCHEIBENERSATZ 32
4
21.1 EINLEITUNG 32
4
21.2 DIE WIRBELSAEULE 325
21.2.1 ANATOMIE DER WIRBELSAEULE 325
21.2.2 DIE BANDSCHEIBE 325
21.3 BIOMECHANIK DER BANDSCHEIBE 32
7
21.3.1 DIE MECHANISCHE FUNKTION DER BANDSCHEIBE 327
21.3.2 KENNWERTE VON LUMBALEN BANDSCHEIBEN 327
21.4 KRANKHAFTE BANDSCHEIBENVERAENDERUNGEN 32
8
21.4.1 BEHANDLUNGSMOEGLICHKEITEN BEI BANDSCHEIBENSCHAEDEN 329
21.4.2 POSTDISKOTOMIESYNDROM 330
21.5 IMPLANTATE FUER DEN BANDSCHEIBENERSATZ 331
21.5.1 WIRBELKOERPERVERBLOCKENDE IMPLANTATE 331
21.5.2 IMPLANTATE MIT ERHALTUNG DER SEGMENTBEWEGLICHKEIT 334
INHALTSVERZEICHNIS XIX
22. KONTROLLIERTE THERAPEUTISCHE SYSTEME (CONTROLLED DRUG DELIVERY
SYSTEMS) 33
6
22.
1 EINLEITUNG 33
6
22.1.1 DEFINITIONEN 336
22.1.2 THERAPEUTISCHER INDEX 337
22.1.3 KONZEPT 339
22.
2 KONVENTIONELLE ARZNEIMITTEL 33
9
22.2.1 GRENZEN DER KONVENTIONELLEN DARREICHUNGSFORMEN 340
22.
3 KONTROLLIERTE THERAPEUTISCHE SYSTEME 34
1
22.3.1 KONZEPT UND DEFINITION 341
22.
4 ANFORDERUNGEN UND KLASSIFIZIERUNG VON POLYMEREN FUER KONTROLLIERTE
THERAPEUTISCHE SYSTEME 34
2
22.
5 MEMBRANSYSTEME 34
5
22.5.1 OSMOTISCHE PUMPEN 346
22.
6 MATRIXSYSTEME 34
7
22.6.1 DEGRADABLE SYSTEME 347
22.
7 TRAEGERSYSTEME 34
9
22.
8 ANWENDUNGSBEISPIELE 35
0
22.8.1 OKULARES THERAPEUTISCHES SYSTEM 350
22.8.2 TRANSDERMALES THERAPEUTISCHES SYSTEM 350
22.
9 AUSBLICK 35
1
23
. ZELLTRAEGERSYSTEME 35
2
23.
1 IMMOBILISATION DER ZELLEN 35
4
23.
2 ZELLVERMEHRUNG AUF DEN TRAEGERSUBSTRATEN 35
5
23.
3 NAEHRSTOFFVERSORGUNG DER ZELLEN AUF DEN TRAEGERSUBSTRATEN 35
6
23.
4 SCHUTZ GEGEN KOERPEREIGENE IMMUNABWEHR 35
6
23.
5 ZELLTRAEGERSYSTEME 35
7
23.5.1 ANGIOPOLARE ZELLTRAEGER 357
23.5.2 RESORBIERBARE POLYMERSYSTEME 361
24. DIE FADENINJEKTION 36
3
25
. BEISPIELE CT- UND NMR-KOMPATIBLER CHIRURGISCHEN INSTRUMENTES
(RETRAKTORBLATT FUER DIE HALSWIRBELSAEULENCHIRURGIE, BIOPSIENADEL) 36
7
25.1 EINLEITUNG 36
7
25.2 NOTWENDIGKEIT DER INTRAOPERATIVEN ROENTGENKONTROLLE 36
8
25.2.1 PRAE- ODER POSTOPERATIVE ARTEFAKTFREIE BEURTEILUNG DES
OP-GEBIETES IN DER MAGNETRESONANZTOMOGRAPHIE (NMR) 371
25.3 FERTIGUNG EINES NMR-KOMPATIBLEN RETRAKTORBLATTES AUS
KOHLENSTOFFASERVERSTAERKTEN THERMOPLASTEN 37
4
25.3.1 EINLEITUNG. 374
25.3.2 SPRITZGUSSGERECHTE BAUTEILKONSTRUKTION UND FORMENBAU 375
25.3.3 STRUKTUR UND EIGENSCHAFTEN DES RETRAKTORBLATTES 378
25.3.4 AUSBLICK AUF WEITERE ENTWICKLUNGEN 379
26. TRANSPLANTATE UND IMPLANTATE IM MITTELOHRBEREICH 381
26.1 EINLEITUNG 38
1
26.
2 OTOSKLEROSE-CHIRURGIE 38
2
26.3 ALLOPLASTISCHE IMPLANTATE ZUR REKONSTRUKTION DER
SCHALLEITUNGSKETTE..382
26.3.1 KERAMISCHE MITTELOHRIMPLANTATE 383
26.3.2 IONOMERZEMENT. 384
26.3.3 POLYETHYLEN, TEFLON 384
26.3.4 GOLD 385
26.
4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 38
5
X
X
INHALTSVERZEICHNIS
.
LITERATURVERZEICHNIS 38
6
SACHWORTVERZEICHNIS 40
9
ABKUERZUNGEN 41
6
GLOSSAR 41
7
.
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