Implantatentwicklung

Ermüdungsprüfungen machen langlebige Implantate sicherer

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Prüfung eines Zahnimplantats mit der LTM-Serie (Bild: Zwick Roell)
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Implantatentwicklung | Neben der Verträglichkeit eines Implantats ist seine Langlebigkeit entscheidend – Ermüdungsprüfungen sind daher ein elementarer Bestandteil in Forschung und Entwicklung. Lösungen dafür bieten die LTM-Maschinen mit Linearantrieb von Zwick Roell, die sich durch ihre Bauweise für diese Prüfungen eignen.

Dr. Peter Stipp
Fachjournalist in Lorsch

Implantate stellen Funktionen im Körper nach, wenn nach einem Unfall, durch Krankheit oder Abnutzungserscheinungen das eigene Gewebe oder Skelett nicht mehr voll intakt ist. Beschädigte Teile des Körpers werden entweder verstärkt oder durch künstliche Nachbildungen ersetzt. Gerade während der Entwicklung neuer Implantate und der Überführung von Prototypen in den Validierungsprozess sind umfangreiche Versuche nötig, um sichere und langlebige Produkte zu schaffen.

Die verwendeten Materialien müssen biokompatibel und formbar sein, damit sie dem jeweiligen Patienten angepasst werden können. Eine weitere Anforderung ist chemische Stabilität im Körper, sie dürfen weder unerwünschte biologische noch chemische Reaktionen auslösen und auch selbst nicht reagieren, beispielsweise rosten. Zu all dem ist es wichtig, dass sie in den hergestellten Geometrien über viele Jahre lang stabil und mechanisch belastbar sind.

Obwohl die Implantologie gute Fortschritte macht, ist der operative Eingriff eine große Belastung für den Organismus. Unternehmen wie Komet Medical, die Chirurgiesparte von Gebr. Basseler in Lemgo, legen daher großen Wert auf die Entwicklung langfristig sicherer Implantate.

Lebensdauervorhersage von Implantaten

Mit der LTM 5 Linearprüfmaschine mit einer maximalen Prüfkraft von 5 kN der Zwick Roell GmbH & Co. KG, Ulm, können im Labor Prototypen untersucht werden, bevor sie in den Validierungsprozess gehen. Die unter zyklischer Belastung durchgeführten dynamischen Prüfungen dienen der Bestimmung von Dauerfestigkeitswerten und damit der Lebensdauervorhersage der Implantate. Die LTM unterstützt auch multiple Prüfnormen. So lassen sich unter anderem Ermüdungsprüfungen an Wirbelsäulenimplantaten nach ASTM F 1717, an Dentalimplantaten nach ISO 14801 und an Knochenschrauben nach ASTM F1264 durchführen.

Die Prüfungen können durch die Nutzung des Zwick-Roell-Temperierbades sogar unter physiologischen Bedingungen erfolgen. Diese so genannten in-vivo Prüfungen finden beispielsweise in temperierter Kochsalzlösung statt, um die Umgebungsbedingungen möglichst real abzubilden. Der verwendete Behälter ist korrosionsbeständig und zur Desinfektion im Autoklaven bis 120 °C geeignet.

Tests der Implantate unter realistischen Bedingungen

Die Implantate werden auch in anderer Hinsicht unter möglichst realistischen Bedingungen getestet. So beschreibt die ASTM F 1717 einen Prüfaufbau mit zwei Wirbelkörperersatzblöcken aus hochvernetztem Kunststoff, die mit Fixatoren verschraubt sind. Die Dimension und Anordnung der simulierten Wirbelkörper entspricht der menschlichen Anatomie, und das genau definierte Material sorgt für Vergleichbarkeit bei den Prüfungen. Diese ist bei Verwendung von natürlicher Knochenmasse nicht immer gegeben.

Der beschriebene Prüfaufbau wird genutzt, um unterschiedliche Implantate miteinander zu vergleichen und objektiv die jeweiligen Vor- und Nachteile auszumachen. Weitere typische Anwendungen sind beispielsweise die Prüfung von Hüftgelenk-, Knie- und Zahnimplantaten.

Hochpräzise Messwerte für die Implantat-Entwicklung

Alle Prüfmaschinen der LTM-Serie basieren auf einem von Zwick Roell entwickelten elektrodynamischen Antriebssystem, das speziell auf die Anforderungen von Materialprüfungen ausgelegt ist. Es geht zurück auf Linearmotorsysteme, deren Hauptverwendungszweck die Positionierung und das Handling von Bauteilen in modernen Bearbeitungszentren ist.

Die Vorteile dieser Antriebe lassen sich direkt auf die Prüfmaschinen übertragen: hohe Beschleunigung, hohe Geschwindigkeit, ölfreie Funktionsweise und wartungsarmer Betrieb. Spezielle Weiterentwicklungen bringen zusätzliche Vorteile für den Prüfbetrieb: Der Aktuator beispielsweise ist hohl ausgeführt und bietet damit Platz für das Wegmesssystem. Der Wegaufnehmer ist koaxial und probennah in der Kolbenstange verbaut und liefert hochpräzise Messwerte, die bis zum Faktor 10 genauer sind als die klassisch angebrachter Messsysteme. Zudem reduziert die geringe Distanz zur Probe auch alle thermischen Einflüsse während der Prüfung auf ein Minimum.

Ausgewählte Komponenten sorgen für hohe Prüfleistung

Auch die übrigen Komponenten des Systems sind auf bestmögliche Prüfleistungen ausgelegt. Die Kolbenbremsanlage liegt auf einer Linie mit der Prüfachse, wodurch Ausricht- und Winkelfehler vermieden werden. Passend zum Gesamtkonzept ist auch das Bremssystem wartungsfrei aufgebaut. Das Linearlager der Kolbenstange minimiert Haftgleiteffekte und trägt damit ebenfalls zu genaueren Prüfungen bei.

www.zwickroell.com


Die LTM 5 elektrodynamische Prüfmaschine bei der Prüfung eines Wirbelsäulenimplantats
(Bild: Zwick Roell)

LTM-Serie für die Medizintechnik

Die elektrodynamischen Prüfmaschinen der LTM-Baureihe eignen sich für die Bestimmung der Betriebsfestigkeit im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich an Werkstoffen und Bauteilen. Dank unterschiedlicher Versionen von 1 bis 10 kN Prüfkraft und des ölfreien Antriebs eignet sich die Prüfmaschinen-Serie sehr gut für den Einsatz in der Medizintechnik, beispielsweise für Ermüdungsprüfungen von Wirbelsäulen-, Hüftgelenk- und Zahnimplantaten.

Da die Prüfmaschinen rein elektrisch arbeiten, sind weder Hydraulik- noch Druckluftleitungen im Labor notwendig. Zudem können sie nicht nur für dynamische, sondern auch für statische Versuche verwendet werden und dadurch bei Bedarf eine zweite Maschine der gleichen Leistungsklasse ersetzen. Das Produktprogramm von Zwick Roell beinhaltet weitere Optionen, die der Arbeit mit den Prüfmaschinen in bestimmten Situationen zugute kommen, wie beispielsweise die Sicherheitseinrichtungen, die insbesondere bei der Prüfung von Proben mit hoher Bruchenergie sinnvoll erscheinen. Zur Auswahl steht eine Kabine, die den Prüfraum komplett umschließt sowie eine transparente Schutztür. Zu den Optionen gehören auch der höhere Prüfraum für größere Werkstücke und die Erhöhung der seismischen Masse zur Performancesteigerung bei steifen Proben und hohen Prüffrequenzen.


Kontakt zum Prüfmaschinen-Hersteller:

Zwick Roell
August-Nagel-Straße 11
89079 Ulm
Tel.: +49 (0)7305 10–0
info@zwickroell.com

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