D13: Patientenindividuelle Hüftprothesenpfannen

Hintergrund
Die Versorgung schwerer Hüftgelenkserkrankungen mit künstlichen Hüfttotalendoprothesen stellt sowohl in der Humanmedizin als auch in der Veterinärmedizin einen häufigen operativen Eingriff dar. Trotz langjähriger Erfahrung kommt es nach der Implantation immer wieder zu Komplikationen, die zu einer Revision des Implantats führen. Insbesondere die Migration der Prothesenpfanne stellt ein großes Problem dar. Eine mögliche Ursache der Migration sind die veränderten mechanischen Bedingungen, die zu einem Knochenabbau im Bereich der Pfannenkomponente führen können.
Ein weiteres Problem besteht in dem starken Knochenabtrag, der erforderlich ist, um eine ausreichend stabile Verankerung der Prothesenpfanne sicher zu stellen, der eine künftige Revisionsoperation aber erschwert. Einen vielversprechenden Lösungsansatz für die bestehenden Probleme stellen patientenindividuelle Hüftprothesenpfannen dar, die eine homogenere Krafteinleitung in den Knochen bewirken und den Knochenabtrag durch die Operation reduzieren. Zurzeit werden sie jedoch nur bei starken Fehlbildungen oder Tumorbefall im Hüftgelenk eingesetzt, da sie nicht in Großserie gefertigt werden können und in ihrer Herstellung dementsprechend kostenintensiv sind.

Forschungsansatz
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von knochenschonenden, kostengünstigen individuellen Prothesenpfannen auf Basis der Blechumformung. Dabei werden zum einen die Konstruktionsmethodik, zum anderen das Umformverfahren betrachtet.

Konstruktionsmethodik
Den ersten Schritt der Pfannenkonstruktion stellt die Ermittlung der physiologischen Gegebenheiten des Acetabulums dar. Auf Basis von CT-Aufnahmen von gesunden und krankhaft veränderten Hüftgelenken wird mit Hilfe des Reverse-Engineering-Verfahrens eine Universalbeckengeometrie modelliert. Hierfür werden die CT-Aufnahmen über einen Bestfit zur bestmöglichen Überlagerung gebracht. Hieraus wird dann die universelle Geometrie abgeleitet und ein assoziativ-parametrisches Modell konzipiert.
Die Anpassung der universellen Pfannengeometrie an die patientenindividuelle Acetabulumgeometrie erfolgt schließlich durch die Einstellung der Modellparameter.

Umformtechnische Fertigung
Die umformtechnische Fertigung der individualisierten Prothesenpfannen soll mittels eines innovativen Blechumformverfahrens erfolgen. Entsprechend der Universalgeometrie werden normierte Titanblechkomponenten im Untermaß erstellt, die mit Hilfe des konventionellen Tiefziehens in Großserie gefertigt werden. Anschließend soll eine maßgerechte individuelle Weitung der erhaltenen Blechbauteile durch Nachformen mit einem modifizierten adaptiven Gummiziehverfahren durchgeführt werden. Die Auslegung dieses neuartigen Prozesses erfolgt mittels der Finite-Elemente-Methode.

Erprobung der Prothese
Die gefertigten Implantatprototypen werden im Hundekadaver auf das chirurgische Einsatzverhalten getestet (Zugang, passgenaue Positionierung). Ferner erfolgt eine Aufwandsabschätzung im Vergleich zu einem konventionellen Pfannensystem.
Im humanen Kunstknochen und später auch in Leichenbecken soll das mechanische Verhalten der Prothese untersucht werden. Dabei soll zum einen das Bewegungsmaß in alle Richtungen erfasst, zum anderen eine Belastungsmessung in einer Materialprüfmaschine durchgeführt werden.

Vision der Forschungsarbeiten ist die Steigerung der Lebensdauer von Implantaten durch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften sowie durch die Entwicklung knochenschonender patientenindividueller Implantate. Mit Hilfe der kostengünstigen Fertigung unter Einsatz des vorgestellten Gummiziehverfahrens soll zusätzlich die Wirschaftlichkeit individualisierter Prothesenpfannen erhöht werden.