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Anpassung durch Körperwärme

Formgedächtniswerkstoffe: Neuer Implantat-Typ reagiert adaptiv
Anpassung durch Körperwärme

Formgedächtniswerkstoffe, die ins Implantat integriert werden, reagieren auf Körperwärme und stabilisieren die Endoprothese von der Operation an. Erste Versuche sind vielversprechend, auch wenn die Marktreife noch nicht erreicht ist.

Um dauerhaft statische und dynamische Lasten zu übertragen, muss ein Implantat stabil im knöchernen Umfeld verankert sein. Gerade bei osteoporotisch veränderten Knochenstrukturen ist das oft nur durch Komponenten mit großer wirksamer Kontaktfläche oder durch den Einsatz von Knochenzement zu erreichen. Die anatomischen Gegebenheiten setzen den möglichen Implantatgeometrien jedoch Grenzen, und Knochenzement kann, abgesehen von der eingeschränkten Revisionsfähigkeit, auch durch seine hohen Polymerisationstemperaturen Nachteile mit sich bringen.

Eine optimale Lastverteilung und stabile Verankerung des Implantates im Knochen lassen sich jedoch auch erzielen, wenn ein kraft- und formschlüssiger Kontakt an der Schnittstelle zwischen Implantat und Knochen erreicht wird. Mithilfe aktiver Werkstoffe – im vorliegenden Fall eine Formgedächtnislegierung auf Nickel-Titan-Basis – lassen sich solche adaptiven Implantatsysteme entwickeln. Gemeinsam mit Projektpartnern arbeiten Wissenschaftler am Dresdener Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU an solchen Lösungen. Erste Muster für Anwendungen in der Hüftendoprothetik und Wirbelsäulenchirurgie liegen vor. Ihre Eigenschaften wurden gemeinsam mit klinischen Partnern untersucht.
Sobald das adaptive Implantat in das vorbereitete Implantatlager eingesetzt ist, erwärmt es sich auf Körpertemperatur. Das aktiviert die integrierten Komponenten aus einer Formgedächtnislegierung. Je nachdem wie steif das umgebende Gewebe ist, wird deren Formänderung aber mechanisch behindert. Dieses Prinzip wird als unterdrücktes Formgedächtnis bezeichnet, da die Rückbildung in eine zuvor eingeprägte Ursprungsform nicht vollständig erfolgt. Im Ergebnis erzeugt das eine zusätzliche Kraft an der Implantat-Knochen-Schnittstelle, die für eine hohe Primärstabilität direkt nach der Implantation sorgt.
Durch die Materialeigenschaften und ein entsprechendes Design können sich die FGL-Komponenten sogar veränderten Lasteinleitungen oder auch Knochenumbauprozessen anpassen. Dass das Implantat so länger stabil im Knochen verankert bleibt, wurde in Laboruntersuchungen an Pedikelschrauben bereits nachgewiesen. Neben Versuchen in Knochenersatzmaterial bestätigen auch die Untersuchungen an Humanpräparaten die Wirkung: Die FGL-Aktoren steigerten die Verankerungsstabilität des Implantates. Bis zur Marktreife sind jedoch noch einige Schritte notwendig.
Bisher erfolgt die Aktivierung rein passiv durch die Körperwärme, doch arbeitet das Fraunhofer IWU mit Partnern bereits an der drahtlosen Ansteuerung der Implantate von außen. Dann könnte im Bedarfsfall das Implantat durch den Arzt aktiviert werden. Dies wäre ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum „lebenslangen Implantat“.
Weitere Informationen Im Rahmen der Initiative „Smart3“ entwickeln Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen unter Führung des Fraunhofer IWU neue Produkte auf Basis von Smart Materials weiter. www.smarthochdrei.de www.iwu.fraunhofer.de
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