Teilprojekt D6 - Totalendoprothesendesign

Numerische Simulation zum belastungsgerechten Design von Totalendoprothesen und Implantaten

Projektbeschreibung:

Die aseptische Lockerung der Prothese stellt nach wie vor ein aktuelles Problem des künstlichen Gelenkersatzes dar. Eine Lockerung kann u.a. durch eine Belastungs­abschirmung im die Prothese umgebenden Knochengewebe verursacht werden.

Im Rahmen dieses Teilprojekts wird die Problematik der veränderten Lastverteilung im Femur und den daraus resultierenden Knochenumbau nach einer Hüftarthroplastik auf­gegriffen. Ziel ist hierbei eine Optimierung des Prothesendesigns um eine Veränderung der physiologischen Last­verteilung im periprothetischen Femur zu vermeiden.

Zur Versorgung fortgeschrittener degenerativer oder traumatischer Schädigungen von Hüftgelenken hat sich sowohl beim Menschen als auch beim Hund der Einsatz von Hüfttotalendoprothesen bewährt. Dennoch stellt die aseptische Lockerung des Implantates nach wie vor ein aktuelles Problem der konventionellen Hüftprothetik dar. Sie löst bei den Patienten starke Schmerzen aus und ist zumeist mit kostenintensiven Revisions­ operationen verbunden.

Eine Lockerung kann durch mehrere Mechanismen verursacht werden. Zu den bekanntesten zählen die Belastungsabschirmung im die Prothese umgebenden Knochengewebe und der daraus resultierende Knochenabbau. Diese Belastungs­abschirmung tritt unter anderem auf Grund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Knochenmaterials und des Implantatwerkstoffs, sowie auf Grund einer Veränderung der natürlichen Lastverteilung im prothetisch versorgten Femur auf. Demnach ist eine an physiologische Bedingungen angepasste Wechselwirkung zwischen Hüftprothese und Oberschenkelknochen eine wesentliche Voraussetzung für eine dauerhafte Verankerung der Hüftprothese im Knochen.

Im Rahmen des Teilprojekts D6 wird die Veränderung der Lastverteilung sowohl im humanen als auch im caninen Femur nach einer Hüftarthroplastik numerisch und experimentell untersucht. Ziel hierbei ist die Optimierung des Prothesendesigns um die Belastungs­abschirmung und damit die aseptische Lockerung zuverlässig zu vermeiden. Dadurch soll die Standzeit des Implantates im Körper des Patienten deutlich verlängert werden.

Während früher das Design von Implantaten zum großen Teil auf theoretisch-biomechanischen Überlegungen beruhte, stellt heutzutage eine computergestützte Analyse und Optimierung von Hüftprothesen mit Hilfe der Finite-Element-Methode (FEM) eine effektivere sowie kosten- und zeit­sparende Alternative dar.

Um jedoch eine gezielte Optimierung des Prothesendesigns oder auch der Gleitkomponenten numerisch durchführen zu können, muss bekannt sein, welche Belastungen auf ein Gelenk wirken. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass die Mehrkörpersimulation (MKS) eine geeignete Methode zur Berechnung der Hüftgelenkkräfte und -momente darstellt. Mit Hilfe der Kräfte können beispielsweise Veränderungen der Lastverteilung im periprothetischen Femur berechnet werden oder Bereiche im Tribosystem eines künstlichen Gelenkes identifiziert werden, in denen hohe Beanspruchen auftreten und somit Verschleiß zu erwarten ist. Im Rahmen eines von der DFG geförderten Normalverfahrens „Berechnung der Hüftgelenkbeanspruchung beim Hund mit Hilfe der Mehrkörper- und Finite-Element-Simulation“ werden daher in enger Zusammenarbeit mit D6 Hüftgelenkbelastungen während des caninen Gangzyklus mittels der MKS für ein physiologisches sowie prothetisch versorgtes canines Hüftgelenk berechnet. Die Ergebnisse dieses Normalverfahrens fließen in die Untersuchungen des Teilprojektes D6 ein.