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Von Knochenschrauben zu Giftzwergen

Dr.-Ing. Kurosch Rezwan, Professor für Materialwissenschaften im Fachbereich für Produktionstechnik an der Universität Bremen. Sein Text zum Thema Knochenschrauben wurde zum weltweit meistzitierten Fachaufsatz der vergangenen Jahre. Foto: Christian Beneker
Dr.-Ing. Kurosch Rezwan, Professor für Materialwissenschaften im Fachbereich für Produktionstechnik an der Universität Bremen. Sein Text zum Thema Knochenschrauben wurde zum weltweit meistzitierten Fachaufsatz der vergangenen Jahre. Foto: Christian Beneker

Ein junger Bremer Forscher hat einen genialen Dreh gefunden, wie sich Kreuzbandrisse heilen lassen: mit Bio-Keramik. Nur einer von vielen spannenden Ansätzen.

Knochenschraube? Klingt schmerzhaft. Aber sie ist eine der bahnbrechenden Erfindungen des Bremer Material-Wissenschaftlers Kurosch Rezwan, die vielen Patienten das Leben leichter machen kann. Mit der gemeinsam mit Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und der Seepark Klinik Wesermünde entwickelten biokeramischen Knochenschraube hat Rezwan Furore gemacht. Sie bedeutet für einige medizinische Operationen einen wichtigen Fortschritt. Ihr Material ist einem Knochen so ähnlich, dass sie sich nach einer Operation nach und nach auf natürliche Weise auflöst und dabei auch noch für den Körper wichtiges Calcium freisetzt.

Seit 2006 ist Kurosch Rezwan im Fachbereich für Produktionstechnik an der Universität Bremen Professor für Materialwissenschaften. Ein auffällig unaufgeregter Mann von 37 Jahren, der in seinem bisher noch jungen Forscherleben schon einiges erreicht hat. Wie Postkarten aufgereiht stehen die Urkunden seiner Preise, Diplome und Patente auf der Fensterbank des Büros in der Universität Bremen. Darunter der Bernd-Artin Wessels-Preis der Bremer "unifreunde", die Rezwan und seine Kollegen 2011 für die Entwicklung der Knochenschraube erhalten haben. Oder die Auszeichnung der Fachzeitschrift "Biomaterials", in der Rezwan über seine Entwicklungen berichtete. Sein Text zum Thema wurde zum weltweit meistzitierten Fachaufsatz der vergangenen Jahre.

Rezwan forscht an so genannten biokeramischen Stoffen. Die Ergebnisse seiner Arbeit sehen ganz unterschiedlich aus: kleine runde Scheiben aus porösem Material, wie erstarrte weiße Schwämme und die seltsam bauchig geformten Knochenschrauben. Das Ganze ist kratzig, wenn man mit den Fingern darüber fährt und wiegt praktisch nichts. Solche Bio-Keramiken hat Rezwan in einem speziellen Verfahren aus Aluminium- und Siliziumoxid-Pulver gebrannt. Feinste Materialien, die in winzigen Reagenzgläsern aufbewahrt werden. Unter weiteren Zutaten wie Bindemittel, Hitze und Druck werden die Werkstoffe in Form gebracht – zum Beispiel in die Form jener Knochenschrauben.

Für Patienten mit Kreuzbandrissen ist der Stoff ein wahrer Segen. Bei den notwendigen Operationen wird ihnen zunächst eine Ersatzsehne aus dem Körper entnommen und an der Stelle des gerissenen Bandes am Kniegelenk angeschraubt. Bisher geschieht das mit Schrauben aus Metall oder Kunststoff, die später wieder herausoperiert werden müssen. Die Knochenschraube aus Keramik hingegen macht es den Ärzten und vor allem den Patienten weitaus leichter. Sie verwächst mit dem Knochen, spart Operationen und beschleunigt die Heilung.

Marktpotenzial: 400 Millionen Euro

Bio-Keramiken werden in einem speziellen Verfahren aus Aluminium- und Siliziumoxid-Pulver gebrannt. Unter weiteren Zutaten wie Bindemittel, Hitze und Druck werden die Werkstoffe in Form gebracht – zum Beispiel in Knochenschrauben. Foto: Christian Beneker
Bio-Keramiken werden in einem speziellen Verfahren aus Aluminium- und Siliziumoxid-Pulver gebrannt. Unter weiteren Zutaten wie Bindemittel, Hitze und Druck werden die Werkstoffe in Form gebracht – zum Beispiel in Knochenschrauben. Foto: Christian Beneker

Die Erfindung könnte sich lohnen. Das weltweite Marktpotenzial schätzt der Materialforscher auf 400 Millionen Euro. Allein in Deutschland erleiden pro Jahr 60.000 Patienten einen Kreuzbandriss – ein großes Einsatzgebiet für die Erfindung aus Bremen.
Der Dreh mit der Schraube ist nicht die einzige Materialneuerung, die Rezwan und seine Kollegen ausgetüftelt haben. Auch für die Versorgung von Patienten mit komplizierten Knochenbrüchen könnten die Bremer bald ein Knochenersatzmaterial liefern, das es in sich hat. Kostengünstig und in großen Mengen lässt sich der Stoff aus Calciumphosphat-Pulver herstellen, meint Rezwan. Damit sich der Ersatz schneller in den Körper einfügt, haben Rezwan und seine Kollegen ein spezielles Verfahren entwickelt, um Proteine, also Eiweiße, einzubauen. Proteine sind wichtige Bausteine des Körpers. Sie sorgen für elastische Haut, starke Knochen oder den Sauerstofftransport im Blut. In Bremen wird für den biokeramischen Knochenstoff die Mischung aus Calciumphosphat-Pulver und Proteinen schockgefroren und dann ganz vorsichtig getrocknet. Übrig bleibt Knochenersatz aus Bio-Keramik – besser formbar und günstiger herstellbar als das derzeit benutze Material: Rinderknochen. In solche Keramiken könnten sogar Antibiotika oder Wachstumsmoleküle eingearbeitet werden.

Forschung in der Nähe der Medizin liegt Rezwan im Übrigen quasi im Blut. Seine Eltern sind beide Mediziner. Sie waren aus dem Iran zum Studieren nach Wien gekommen. Wegen der iranischen Revolution 1979 zog die Familie eine medizinische Anstellung in der Schweiz vor.

Bereits in seiner Diplomarbeit in Zürich beschäftigte sich Rezwan dann mit Keramiken – neben Metallen und Kunststoffen das dritte große Arbeitsgebiet der Materialwissenschaftler. Später, in London am renommierten Imperial College, fand er ein Schwerpunktthema seines Forscherlebens: die Arbeit mit Nano-Partikeln. Nano-Partikel, deren Name sich vom griechischen Wort für "Zwerg" – "nannos" – ableitet, sind ein bis 100 Nanometer klein (ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter) und haben so einen bis zu 50.000 Mal geringeren Durchmesser als ein menschliches Haar.

Tod den Giftzwergen

Rezwan nimmt ein Röhrchen mit weißem Staub zwischen Daumen und Zeigefinger: "Nano-Partikel, wie dieses Titandioxid zum Beispiel, sind oft in Farben verarbeitet, mit der Räume gestrichen werden. Sie machen das Weiß der Wandfarbe auf lange Zeit lichtbeständig." Wir wollen wissen, was passiert, wenn Nano-Partikel und Enzyme des menschlichen Körpers sich verbinden", erklärt er, "zum Beispiel beim Einatmen. Dazu bringen wir beide zusammen und untersuchen, was passiert", erklärt Rezwan seine Arbeit mit den Nano-Partikeln. Hier geht es besonders um das hochaktuelle Thema der Nano-Toxikologie. Rezwan erforscht also, wie aus den kleinen Genies wahre Giftzwerge werden können.

Ihn interessiert aber nicht nur jene gefährliche Seite der Nano-Partikel, denn sie könnten auch zu Helfern mit verblüffenden Eigenschaften werden. So könnten sie zum Beispiel in Zukunft in Brennstoffzellen den benötigen Wasserstoff herstellen – ohne Strom! Oder sie könnten gemeinsam mit bestimmten Eiweißen aus dem Hühnerei gefährlichen Bakterien den Garaus machen. Überall, wo Hygiene überlebenswichtig ist, wäre das ein enormer Fortschritt. So könnte der Wunderstoff etwa in Kliniken auf Türgriffe aufgebracht werden, wo er "die Membranen der schädlichen Bakterien knacken und so für stetige Hygiene auf dem Griff sorgen würde", sagt Rezwan. "Mit unserer Entwicklung treffen die Klinik-Bakterien auf einen Gegner, der sich über Millionen von Jahren mitentwickelt hat. Das ist der Charme daran. Die Wirkung ist weit nachhaltiger als die von Desinfektionslösungen."

Warum ist ein Mann mit Rezwans Talenten aus der Weltstadt London an die Weser gekommen? "Die Materialwissenschaft in Bremen gehört zu den besten in Europa", erklärt Rezwan. „Ein guter Grund, hier zu sein.“

Mehr unter www.ceramics.uni-bremen.de

6.761 Zeichen, Autor: Christian Beneker

Pressekontakt:

Prof. Dr.-Ing. Kurosch Rezwan

E-Mail: krezwan[at]uni-bremen.de

Erstellungsdatum: 23.10.2012