D4: Keramikimplantate

Hintergrund
Allein in Deutschland werden jährlich etwa 170.000 Knieendoprothesen implantiert. Problematisch ist derzeit die nicht zufriedenstellende Implantatlebensdauer, da im Jahr etwa 9.600 Prothesen in Revisionsoperationen ersetzt werden. Inspiriert durch die erfolgreichen keramischen Hüftimplantate mit bis zu 25 Jahren Haltbarkeit wird die Entwicklung und Fertigung eines vollkeramischen Knieimplantats verfolgt. Die Lebensdauer solch komplexer Implantate ließe sich durch die Ausführung als Hart-Hart-Gelenkpaarung signifikant erhöhen. Eine Hart-Hart-Paarung bedeutet hierbei, dass sowohl die Femur- als auch die Tibiakomponente aus Keramik gefertigt werden. Bei derzeit eingesetzten Implantaten wird eine Kobaltchromlegierung mit einem Polyethylen-Kunststoff (hart-weich) kombiniert. Die relativ komplexen Geometrien des Kniegelenks, verbunden mit hohen Anforderungen an Oberflächenqualität und Formgenauigkeit, haben bis heute die Anwendung von Keramik als alleiniges Implantatmaterial in der Knieendoprothetik verhindert. Die Kenntnisse zur Bearbeitung keramischer Komponenten, die einfache Geometrieelemente aus Regelflächen wie Kugel- oder Zylinderflächen beinhalten, sind nicht ohne weiteres auf frei geformte Flächen übertragbar. Beispielsweise sind während der Bearbeitung sich kontinuierlich ändernde Kontaktbedingungen zu berücksichtigen, um einen gleichmäßigen Materialabtrag zur Erzielung der erforderlichen Geometrietreue zu gewährleisten. Neben einem speziellen Design für vollkeramische Implantate, welches bei Belastung Spannungsspitzen und somit den Bruch der Prothese vermeidet, sind neue Bearbeitungstechnologien und spezielle Werkzeugkonzepte für komplexe keramische Funktionsflächen erforderlich. Dabei soll der gesamte Endbearbeitungsprozess auf einer Maschine in derselben Aufspannung zu bewerkstelligen sein.

Forschungsansatz
Die herkömmliche Fertigung metallischer Prothesenkomponenten erfolgt in mehreren Bearbeitungsschritten. Im ersten Prozessschritt wird die Makrogeometrie durch Fräsen erzeugt. Die durch das Fräsen entstandenen Vorschubrillen werden anschließend durch nachgeschaltete Bandschleif­und Polierschritte mittels Filz- oder Tuchscheiben mit Poliersuspensionen eingeebnet. Vereinzelt ist auch eine manuelle Nachbearbeitung der metallischen Implantate anzutreffen. Durch die letzten Prozessschritte auftretende Formabweichungen können toleriert werden, da sie durch die Paarung mit weichen Kunststoff-Inlays (Hart-Weich-Paarung) kompensiert werden. Im Falle keramischer Hart-Hart-Paarungen sind diese Formabweichungen jedoch unzulässig hoch.

Herstellung durch simultane 5-Achs-Beabeitung
Zur Bearbeitung hoch präziser keramischer Implantatkomponenten wird die folgende Prozessstrategie verfolgt. Das endformnah gesinterte Bauteil erhält seine Makrogeometrie durch fünfachsiges Schleifen mit torischen Werkzeugen. Es werden hierbei bereits hohe Oberflächenqualitäten im Bereich von Rauheiten Ra = 100 nm erzeugt. Um die bis dahin generierte Bauteilkontur beizubehalten wird anschließend ebenfalls fünfachsig poliert. Hierbei werden die Oberflächen durch Einebnen der Rauheitsspitzen bis zu Rauheiten kleiner 10 nm geglättet. Dabei werden zur Schleif- und Polierbearbeitung unterschiedliche Werkzeugkonzepte eingesetzt. Die Schleifwerkzeuge mit torisch geformter Schleifbelagsgeometrie können durch eine Anpassung des Anstellwinkels die Formvariation der zu bearbeitenden Komponenten ausgleichen. Flexible mit Diamant durchsetzte Polierwerkzeuge ermöglichen dies zusätzlich durch ihre Nachgiebigkeit.

Analyse, Konstruktion und Prüfung keramischer Implantate
Zur Ermittlung der geometrischen Aspekte in Bezug auf auftretende Belastungen und Stabilitäten im Knie werden kinematische Untersuchungen durchgeführt. Die Erkenntnisse aus dieser Analyse fließen in ein zum Patent angemeldetes Prothesenkonzept ein. Zur experimentellen Verschleißprüfung der Implantatkomponenten wurde am LBB ein Roll-Gleit-Verschleiß-Prüfstand entwickelt, der die standardisierte Kniegelenksbewegung und Belastung simuliert. Ohne komplette Implantate fertigen zu müssen, wird an vereinfachten Probekörpern das Verschleißverhalten getestet. Der Einfluss von Oberflächeneigenschaften und Konturtreue, die aus dem Fertigungsprozess resultieren, sowie der Einfluss unterschiedlicher Geometrieelemente können so identifiziert werden.

Vision der Forschungsarbeiten ist die Verlängerung der Haltbarkeit von Knieimplantaten, um auch jungen bzw. an Metallunverträglichkeit leidenden Patienten mit Kniegelenksarthrose eine hohe Lebensqualität ohne erforderliche Revisionsoperationen und Bewegungseinschränkungen zu ermöglichen. Auf diese Weise können neben der Reduktion der Belastung des Patienten auch langfristig Kosten im Gesundheitssystem gesenkt werden.





Ein Beitrag von der COMPAMED über das Teilprojekt D4:

Knieprothesen: Keramik erhöht die Lebensdauer