Osteofit 2030: Revisions- und Individualimplantate im Titanschleudergussverfahren - kostensenkende Lösungen gegen Infektionen und Osteoporose

Technical Showcase des Spitzenclusters Medical Valley Europäische Metropolregion Nürnberg

Die Lebenserwartung der Bevölkerung, und damit auch von Prothesenträgern, steigt stetig. Gleichzeitig werden bei immer mehr jüngeren Patientinnen und Patienten Gelenke ersetzt. Deshalb wachsen die Anforderungen hinsichtlich Haltbarkeit, Beweglichkeit und Freiheit bei Sportaktivitäten.

Durch begrenzte Standzeiten ist es nötig, künstliche Gelenke regelmäßig auszutauschen. Doch verhindern aseptische Prothesenlockerungen und Infektionen, die häufig mit großen knöchernen Defekten und einer ausgeprägten Osteoporose einhergehen, in vielen Fällen eine stabile Verankerung und das Anwachsen und Einheilen des (Revisions-)Implantates.
 
Projektziel: Längere Haltbarkeit, kostengünstigere Herstellung

Das Leitprojekt "Osteofit 2030" des Spitzenclusters Medical Valley EMN zielt darauf ab, hochwertige orthopädische Implantate herzustellen, die sich an patientenspezifische Anforderungen anpassen. Dies gelingt mit neuartigen Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren, die ohne aufwendige Nachbearbeitungsprozesse eine ressourcenschonende sowie kosten- und zeiteffiziente Fertigung erlauben. Mit diesem neuen Verfahren können Patientinnen und Patienten künftig ein eigens auf sie zugeschnittenes Implantat erhalten.

Die Qualität zu verbessern und die Kosten zu senken, ist ein Anliegen der Clusterstrategie des Medical Valley EMN. Mit diesem Ziel hat die Projektgruppe aktuelle Forschungsergebnisse und Technologien mit hohem Innovationspotenzial für die Herstellung von Titanimplantaten identifiziert. Die Schleudergusstechnologie und die Plasma-Based-Immersion-Ionenimplantation (PBII) bieten neue Anpassungsmöglichkeiten hinsichtlich Materialgefüge und Oberflächen der Implantate. Der Einsatz beider Technologien in der Entwicklung neuer Implantate stellt eine erfolgreiche Adaption der bislang in der Luft- und Raumfahrt eingesetzten Technologie auf Medizinprodukte dar.

Umsetzung
Innerhalb von 14 Monaten wurden in zwei Entwicklungsschritten Machbarkeit und wirtschaftliche Umsetzbarkeit analysiert.

Schritt 1: Schleudergusstechnologie als neuartiges Herstellungsverfahren

Der Implantathersteller Peter Brehm Chirurgie-Mechanik e. K. optimierte die Konstruktion der Bauteile im Hinblick auf das Schleudergussverfahren. Die Methodenentwicklung und -auswahl erfolgte seitens des Projektpartners Spincast (SCT). Die Realisierung geeigneter Proben- und Bauteil-Geometrien wurde am Beispiel des Beckenteilersatzes erfolgreich demonstriert. Dabei wurden Kriterien wie Bauteil-Sicherheit, Maßhaltigkeit und Oberflächentreue untersucht.

Die Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit (Gleiteigenschaften, Knochenanwachsverhalten) zeigte aussichtsreiche Ergebnisse. Um den derzeit üblichen Prozessschritt der anschließenden Nachbearbeitung zukünftig einsparen zu können, sind allerdings noch weitere Forschungstätigkeiten zur Anpassung der Prozessparameter im Schleudergussverfahren nötig.

Auch treten bei der Etablierung von Gießprozessen immer wieder sogenannte  Lunker (Hohlräume) auf. Diese führen zu einer Herabsetzung der Festigkeit, was im schlimmsten Fall zum Bruch der Materialien führt. Durch geeignete Verfahrensentwicklung konnte die Anzahl der Lunker erfolgreich auf ein serienbauteilreifes Maß reduziert werden.

Gießbaum mit Beckenteilersatzimplantaten, Foto: Peter Brehm Chirurgie-Mechanik e.K.

Lunkerprüfung durch Röntgen (Lunker im roten Kreis), Foto: Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe an der Universität Bayreuth durch Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau, Bayreuth

Fazit: Die Schleudergusstechnologie, die bereits in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt wird, kann auf Prothesen übertragen werden. Die Gefügezustände lassen sich sehr gut auf die zu erwartende Belastungssituation einstellen.

Schritt 2: Einsatz der Plasma-Based-Immersion-Ionenimplantation (PBII) zur Verbesserung der Materialeigenschaften

Ziel dieses Vakuumverfahrens ist es, Ionen in Festkörperoberflächen zu implantieren. Die mit unterschiedlichen Ionen versehene Beschichtung reduziert den Oberflächenabrieb des Implantats, wirkt antibakteriell und antibiotisch. So können schwerwiegende Infektionen verhindert oder sogar saniert werden. Deshalb wurden im Projekt "Osteofit 2030" verschiedene orientierende Untersuchungen durchgeführt.

Die Ionenimplantation hat sich als praktikabel erwiesen, den Abrieb bei hochbeanspruchten Gleitpaarungen in Gelenk-Implantaten zu verringern.
Gleichzeitig können durch das Verfahren der Einheilungsprozess beschleunigt und Infekte verhindert werden.

Plasma-Based-Ionen-Implantations-Anlage, Foto: HZDR

Fazit: Die Implantation von Calcium-Ionen zeigte tendenziell positive Effekte. Um eine valide Aussage hinsichtlich der Infekt-Vermeidung Am Beispiel des Beckenteilersatzes wurden das Schleudergussverfahren und die Plasma-Based-Ionen-Implementation erfolgreich in der Herstellung von Prothesen eingesetzt. Beide Verfahren bieten wirtschaftliche bzw. medizinische Vorteile gegenüber etablierten Verfahren und bieten den Ansatz für innovative Herstellverfahren auch über das gezeigte Beispiel hinaus. Nach der Realisierung eines Produktionsprozesses für kleinere Stückzahlen soll in einem Folgeprojekt die Überführung der Ergebnisse in die Serienproduktion erfolgen.