Zukunftsfähige medizinische Implantate

Bearbeitung und Design keramischer Kniegelenke
Keramiken sind aufgrund ihres hervorragenden Verschleißwiderstands prädestiniert
für den Einsatz als Implantatmaterial in der Endoprothetik. Gegenüber
konventionellen Prothesen lassen sich verschleißbedingte Lockerungsraten deutlich
reduzieren. Während vollkeramische Prothesen mit einfachen Regelgeometrien wie
dem Hüftgelenk bereits erfolgreich eingesetzt werden, ist die Nutzung bei
geometrisch komplexen Prothesen noch nicht realisiert. Ziel dieses Projektes ist es,
am Beispiel einer vollkeramischen Knieprothese eine automatisierte
Bearbeitungstechnologie zu entwickeln und die Implantatfunktionalität nachzuweisen.
Die Realisierung der automatisierten Bearbeitung und Prüfung von keramischen
Freiformflächen dient der Lebensdauerhöhung vielfältiger Implantate für die
Medizintechnik. Derzeitige Gelenkimplantate werden überwiegend mit einer Hart-
Weich-Kombination der Funktionsflächen ausgeführt. Der auftretende Verschleiß der
weicheren Komponente bedingt, dass selten eine Lebensdauer von mehr als 10
Jahren erreicht wird. Erneute operative Eingriffe mit entsprechend hohen Kosten und
starken Belastungen für den Patienten sind erforderlich. Der Einsatz einer Hart-Hart-
Materialkombination, der dieser Versagensursache entgegenwirkt, hat sich als
Kugelgelenk seit langem im klinischen Einsatz bewährt und soll nun auch für
komplexere Formen von Funktionsflächen zur Verfügung gestellt werden.
Übergeordnete Motivation des Teilprojektes D4 ist die signifikante Steigerung der
Lebensdauer geometrisch komplexer Implantate am Beispiel des Kniegelenks, durch
die Nutzung verschleißarmer, keramischer Materialien. Neben einer
Prozessentwicklung für die hochgenaue Endbearbeitung der komplexen Keramik-
Komponenten (Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, IFW), gilt es
eine Geometrie der Knieprothese unter Berücksichtigung der Keramikeigenschaften
zu gestalten (Labor für Biomechanik und Biomaterialien Orthopädische Klinik der
Medizinischen Hochschule Hannover, LBB). Hierbei werden insbesondere die
geometrischen Faktoren eliminiert, welche einen spröden
Implantatkomponentenbruch begünstigen. Ferner soll durch die Implantat-Geometrie
die physiologische Funktion der Knieprothesen erweitert werden.
Die bisher im Teilprojekt D4 durchgeführten Forschungsarbeiten erlauben
grundsätzlich eine fünfachsige Fertigung einer keramischen Knieprothese. Zur
Verfahrensabstimmung wurden bereits analytische Modelle zur Ausbildung der
Topografie und zum Materialabtrag beim Schleifen und Polieren aufgestellt und
verifiziert. Anhand durchgeführter Verschleiß- und Belastungsuntersuchungen konnte
eine vollkeramische Prothese zudem erfolgreich zum Patent angemeldet werden.
Hierbei wurde durch die Analyse verschiedener Gleitflächentopografien festgestellt,
dass eine geringfügig größere Rauheit durch eine Schleifriefenstruktur zur
Funktionalisierung genutzt werden könnte. Darüber hinaus lassen die aktuellen
Forschungsergebnisse darauf schließen, dass die Glätte einer Gleitfläche nicht der
alleinige Einflussfaktor auf das Verschleißverhalten keramischer Komponenten ist.
Den Schwerpunkt der zukünftigen Arbeiten werden die Aspekte der Automatisierung
hinsichtlich des Werkzeugverschleißes und der Verfahrstrategien sowie die
Reduzierung des Anfangsverschleißes durch das Prinzip des Einlaufläppens der
Implantatoberflächen bilden.
TP D4 PD Dr.-Ing. Christof Hurschler