Teilprojekt D4 - Keramikimplantate

Automatisierte Freiformflächenbearbeitung und Prüfung verschleißarmer Keramikimplantate

Projektbeschreibung:

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.

>> Patent bezüglich einer vollkeramischen Knieprothese