Funktionsangepasste Bearbeitung medizinischer Implantate
Projektbeschreibung:
Implantate in der Orthopädie und Frakturversorgung (Osteosynthese) dienen zur Abstützung oder Fixierung traumatisierter Knochen und haben damit in der überwiegenden Zahl der Fälle nur eine zeitlich begrenzte Funktion bis zur vollständigen Heilung. Eine bisher nötige Revisionsoperation zur Implantatentfernung, mit dem damit verbundenen Risiko für den Patienten sowie den entstehenden Kosten, kann durch degradierbare Implantate vermieden werden. Temporäre Knochenimplantate sollen daher in der Orthopädie und Frakturversorgung einen immer größeren Anteil permanenter Osteosynthesematerialien, speziell im Einsatzbereich kleinvolumiger Implantate ersetzen. Diese Implantate übernehmen zeitweilig die mechanischen Knochenfunktionen bis sie, nach graduellem Abbau, durch neu gebildeten Knochen ersetzt werden.
Ziel des Teilprojektes R4 ist die Entwicklung und Herstellung degradierbarer Kleinimplantate und Implantatsystemen aus Magnesiumbasislegierungen und dabei die Modifikation der Implantatdegradation über eine definierte Einstellung der Oberflächen- und Randzoneneigenschaften durch die mechanische Bearbeitung. Anhand von Demonstratoren aus Magnesiumlegierungen werden die grundlegenden Zusammenhänge zwischen mechanischer Bearbeitung, den Oberflächen- und Randzoneneigenschaften und dem resultierenden Abbauverhalten erforscht sowie die Eignung als Implantate biomechanisch in vitro und in vivo ermittelt.
Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover werden - aus neu entwickelten Magnesiumlegierungen des Partnerprojektes R1 und in Abstimmung mit dem Partnerprojekt R6 - Probengeometrien für in vitro Korrosions- und Biomechanikversuche, sowie für klinische in vivo Studien hergestellt. Dabei stehen verschiedene Verfahren zur mechanischen Bearbeitung für die Untersuchungen einfacher und komplexer Implantatgeometrien im Fokus der Untersuchungen. Neben geometriegebenden spanbildenden Bearbeitungsverfahren werden außerdem spanlose Verfahren zur Nachbearbeitung eingesetzt. Neu untersucht werden die Kombination aus mehreren Verfahren sowie neu entwickelte Prozesse, wie beispielsweise das Festreiben. Hierfür werden Magnesiumspezifische Werkzeuge und Spannmittel entwickelt, um neue Verfahren mit etablierten Prozesskinematiken einzusetzen sowie um die erarbeiteten Möglichkeiten zur Oberflächen- und Randzonenmodifikation auf filigrane Realbauteile zu übertragen. Der Einfluss des Bearbeitungsprozesses sowie der Prozessparameter, Werkzeuggeometrien und Schneidstoffe auf die Bauteileigenschaften und das resultierende Degradationsverhalten wird in Zusammenarbeit mit den Partnereinrichtungen untersucht.
Kennwerte der Biomechanik sind maßgebliche Bewertungskriterien lasttragender Implantate. Biomechanische Eigenschaften der hergestellten Proben werden in der Orthopädischen Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover im Labor für Biomechanik und Biomaterialien (LBB) untersucht. Insbesondere werden die Einflüsse der geometrischen Gestaltung und des Bearbeitungsprozesses auf die biomechanischen Eigenschaften und die Dauerfestigkeit der Bauteile ermittelt. Als Kenngrößen dienen bei Schraubengeometrien Scherkräfte, Kompressionskräfte, Auszugskräfte sowie das Eindrehverhalten in Knochenersatzstoffe. Plattengeometrien können auf Torsion, Biegung und Zugkräfte beansprucht werden. Es werden überdies Implantatsysteme, bestehend aus Kombinationen von Platten und Schrauben, untersucht. In dynamischen Biomechanik-Versuchen wird unter Korrosionseinfluss das biomechanische Funktionsprofil der Implantatsysteme ermittelt.
An der Klinik für Kleintiere der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo) wird in klinischen in-vivo Studien am Kleintier- und Großtiermodell der Einfluss der Topographie und der bearbeitungsinduzierten Werkstückeigenschaften von Implantatdemonstratoren auf die Degradationskinetik und das biomechanische Funktionsprofil sowie deren Osseointegration untersucht. Das Schaf als großes Tiermodell ermöglicht dabei biomechanische in-vivo Untersuchungen von Implantatsystemen größerer Dimensionen und abschließend die klinische Versorgung einer Osteotomie zum Nachweis der praxistauglichen Umsetzbarkeit der Projektergebnisse.
Die modellhafte Zusammenführung aller Ergebnisse aus in-vivo und in-vitro Untersuchungen führen zur Ableitung relevanter biomechanischer Kenngrößen und damit zu einer Definition des medizinischen Anforderungsprofils an resorbierbare Implantate-Systeme zur Osteosynthese. Dieses Anforderungsprofil dient dann zur Auslegung des Implantatdesigns, der Bearbeitungsprozesse und der Prozessgrößen und führt damit zu indikationsangepassten Implantateigenschaften.
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