Forscher entwickeln abbaubaren Knochenersatz

4. November 2014, 13:17
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Bei Knochenbrüchen werden oft Implantate verwendet, die nach der Heilung operativ entfernt werden müssen - Neue Materialkombinationen könnten dies obsolet machen

Bremen- Kein Gelenk des menschlichen Körpers verfügt über eine so hohe Beweglichkeit wie die Schulter. Sie ist jedoch auch sehr empfindlich und anfällig für Verletzungen, vor allem Sportler sind betroffen. Zu den häufigsten Beschwerden gehören Sehnenrisse, die operativ behandelt werden müssen.

Der Chirurg fixiert dabei die Risse mithilfe von Schulterankern. Bisher werden solche Implantate aus Titan oder Kunststoff gefertigt – mit dem Nachteil, dass diese auch nach der Heilung im Körper verbleiben oder Ärzte sie in einem zweiten Eingriff wieder entfernen müssen. Um dies zu vermeiden, entwickeln Forscher am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen lasttragende, biologisch abbaubare Implantate, die vollständig vom Körper resorbiert werden.

"Mit dem Implantat lassen sich abgetrennte Sehnen am Knochen verankern, bis diese wieder angewachsen sind", sagt Philipp Imgrund vom IFAM. Wenn möglichst verschleißfeste Ersatzkomponenten erforderlich sind - wie etwa bei einem künstlichen Hüftgelenk - werde man sicher weiterhin auf metallische Legierungen wie Titan zurückgreifen. Doch bei Platten, Schrauben, Stifte und Nägel, die nicht im Körper bleiben sollen, sei dies ein Nachteil, so Imgrund.

Metall und Keramik

Die Forscher entwickelten daher degradierbare, also im Körper abbaubare Knochenimplantate für den Einsatz in der Unfallchirurgie und Orthopädie. Diese sollen nach und nach vom Körper aufgenommen werden, während sich gleichzeitig neues Knochengewebe bildet. Idealerweise ist der Grad der Degradation an das Knochenwachstum so angepasst, dass Abbau des Implantats und Knochenaufbau ineinandergreifen.

Die Herausforderung: Die Implantate müssen während des kompletten Heilungsprozesses mechanisch stabil genug bleiben, um den Knochen zu fixieren. Zugleich dürfen sie keine allergene Wirkung haben oder Entzündungen hervorrufen. Die IFAM-Forscher setzen dabei auf Kombinationen aus Metall und Keramik: Sie kombinieren eine metallische Komponente auf Basis einer Eisenlegierung mit Beta-Tricalciumphosphat (TCP) als keramische Komponente. "Eisenlegierungen korrodieren langsam und sorgen für hohe mechanische Festigkeiten, während Keramik sich schnell zersetzt, das Knochenwachstum anregt und das Einwachsen des Implantats begünstigt", erläutert Imgrund.

Steuerbare Dichte und Porosität

Um diese Werkstoffkombinationen herstellen zu können, wird ein sogenanntes Pulverspritzgussverfahren angewandt. Eigenschaften wie Dichte und Porosität lassen sich dabei gezielt steuern - ein wichtiger Faktor, da hohe Dichten und geringe Porosität hohe mechanische Festigkeiten bewirken. Ein weiterer Vorteil: Die Werkstoffe liegen als Pulver vor und können vor der Verarbeitung in jedem beliebigen Verhältnis gemischt werden.

Doch welches Mengenverhältnis ist das Richtige? In Laborversuchen haben die Forscher die optimale Zusammensetzung der Werkstoffe für den Schulteranker herausgefunden. Der fertige Prototyp besteht zu 60 Prozent aus Eisen, zu 40 Prozent aus Keramik. Den Forschern ist es gelungen, die Abbaugeschwindigkeiten von 120 auf 240 Mikrometer pro Jahr am Labormodell zu verdoppeln. Der Schulteranker wäre damit innerhalb von ein bis zwei Jahren vom Körper vollständig resorbiert. (red, derStandard.at, 4.11.2014)

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