Biokompatible Kunststoffe für die Medizintechnik

Neben bislang betrachteten Anwendungen im Verpackungsbereich, wo biogene Polymere mit billig hergestellten, auf Erdöl basierten Produkten konkurrieren, stellt der Bereich der Medizintechnik ein viel versprechendes Anwendungsfeld für biokompatible Kunststoffe dar: Ein besonderer Vorteil von PHB liegt in seiner Biokompatibilität, nämlich der Vereinbarkeit mit biologischen Strukturen. Dies eröffnet die Möglichkeit, PHB in der Medizintechnik, beispielsweise als Implantat im Hart- und Weichgewebe, als Nahtmaterial, als Verstärkung für Herzkranzgefäße (Koronarstents) oder als „künstliche Haut“ einzusetzen. Entscheidend für die Entwicklung entsprechender Wertstoffe ist die Bereitstellung größerer Mengen PHB in entsprechender Reinheit. Dem entwickelten, effizienten und umweltfreundlichen Aufarbeitungsverfahren kommt deshalb eine große Bedeutung zu.

PHB aus Methan
Die Verwendung von Methan als Rohstoffbasis für die PHB-Synthese im technischen Maßstab ist ein Novum. Am UFZ wurden die Grundlagen für ein solches nicht wachstumsassoziiertes, zweistufiges Verfahren entwickelt und patentiert. Die Arbeiten zur Biosynthese erfolgen in Druckfermentern unter Phosphatmangel als initiierenden Faktor für die PHB-Bildung. Zusammenfassend bietet die Gewinnung von PHB aus Methan folgende Vorteile:

– Kostengünstiges, gut verfügbares Substrat;
– Kurzer Fermentationsprozess;
– Unsterile Prozessführung durch hohe Substratselektivität möglich;
– Hohe Biosyntheseausbeuten (0,53 g PHB/g CH4);
– PHB-Gehalte von 50 % in der Biotrockenmasse;
– Hohes mittleres Molekulargewicht (Mw > 2 x 10^6 g/mol
- Enge Molekulargewichtsverteilung des synthetisierten Polymers;
– „Tailor-made“ Produktion von PHB durch Variation der Prozessbedingungen möglich;
– Niedrige kinematische Viskosität (0,96 bis 1,2 mm^2/s) der Kulturflüssigkeit;
– Niedrige CSB-Werte (200-900 mg/l) des anfallenden Prozesswassers;
– Rückführung oder energetische Nutzung des Fermentationsgases möglich.

Aufarbeitung
Die Abtrennung der Polyhydroxybuttersäure von den Zellen erfolgt bisher hauptsächlich durch chemisches Herauslösen aus den Bakterienzellen. Wegen der schlechten Löslichkeit des Polymers sind dafür große Mengen umwelt- und gesundheitsschädlicher organischer Lösungsmittel notwendig. Andere, weniger umwelt- und gesundheitsbelastende Aufarbeitungsverfahren gingen eindeutig zu Lasten von Ausbeute und Qualität der PHB. Hier zeitigte das neu entwickelte Verfahren, das durch reduktive chemische Vorbehandlung einen nachfolgenden enzymatischen Zell-Aufschluss erheblich erleichtert, deutliche Verbesserungen.

Einsatz in der Medizintechnik
Der „proof of principle“, d.h. die prinzipielle Eignung aus Methan gewonnener PHB als resorbierbares Implantatmaterial ist vom Kooperationspartner an der Universität Rostock erbracht worden. Langzeituntersuchungen belegen, dass PHB für den klinischen Einsatz hervorragend geeignet ist. Versuche mit intraperitonealen und subcutanen Implantaten aus PHB in Ratten, Kaninchen und Meerschweinchen, teilweise mit Implantationszeiten von bis zu 2 Jahren, zeigten ausgezeichnete Ergebnisse zur Biokompatibilität. Anhaltspunkte für chronische entzündliche Veränderungen oder metaplastische Entartungen waren nicht zu verzeichnen. Ebenfalls positive Erfahrungen wurden mit PHB-Patchmaterialien zum Verschließen von Defekten im Gastrointestinalbereich gemacht.


Projektziel:
Umweltfreundliche biotechnologische Herstellung biokompatibler Polymerwerkstoffe für die Medizintechnik
Projektträger:
Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH Sektion Sanierungsforschung Dr. Karin-Dagmar Wendlandt Permoserstr. 15 04318 Leipzig
Telefon:
0341 / 235-2281
Fax:
0341 / 235-2492
URL:
www.ufz.de/spb/san/index.html
E-Mail:
wendland@rz.ufz.de