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Nitinol: Formgedächtniswerkstoff in der Orthopädie

Formgedächtniswerkstoff in der Orthopädie
Wie steif Osteosyntheseplatten sind, lässt sich mit Nitinol beeinflussen

Formgedächtniswerkstoffe | Stents aus Nitinol, die bei Körpertemperatur die erforderliche Form annehmen, sind in der Medizin schon im Einsatz. Forscher in Hannover haben untersucht, ob und wie sich der Werkstoff auch für die Orthopädie nutzen lassen könnte – genauer für Osteosyntheseplatten.

Dr. Birgit Oppermann
birgit.oppermann@konradin.de

Wenn ein Knochen gebrochen ist, beginnt der Körper mit der Reparatur – im Notfall unterstützt durch Metallplatten, mit denen Mediziner die Bruchstücke stabilisieren. Diese Platten bestehen heute aus Titan und werden mit Schrauben im Knochen fixiert. Wie steif sie sind, hängt von ihrer Länge, Dicke und Breite ab. Aber in jedem Fall sind sie steifer als der Knochen selbst und bleiben es, unabhängig davon, wie der Knochen sich entwickelt. Könnte man das optimieren, indem man Nitinol in den Platten einsetzt und die Steifigkeit variiert?

Inhaltsverzeichnis

1. Idee für die Platte mit Nitinol wurde ausgezeichnet
2. Gebogene Strukturen aus Nitinol strecken sich
3. Nitinol darf nicht schon bei Fieber reagieren
4. Forscher entwickelten eigens ein Bearbeitungsverfahren
5. Anwendung bei Frakturen, Skoliose und Knie-OPs denkbar

 

Diese Frage haben sich Mediziner und Ingenieure in Hannover gestellt und im Sonderforschungsbereich 599 Prototypen entwickelt und untersucht. Ihre Formgedächtnis-Platte aus einer Nickel-Titan-Legierung hat zunächst eine geringe Steifigkeit, lässt sich durch elektromagnetische Induktion und Wärmeeinfluss aber verändern, so dass sie dauerhaft eine höhere Steifigkeit annimmt.

Idee für die Platte mit Nitinol wurde ausgezeichnet

Auf Basis dieser Ergebnisse können neue Osteosynthese-Techniken entwickelt werden, bei denen die Steifigkeit der Implantate dem Heilungsverlauf individuell und ohne erneute OP angepasst wird. Damit könnten die Knochenheilung beschleunigt, Operationen eingespart und Komplikationen vermieden werden. Diesen Ansatz belohnte die Deutsche Gesellschaft für Unfallchirurige (DGU) Ende 2016 mit dem Hans-Liniger-Preis 2016. Damit wurde Privatdozent Dr. Christian W. Müller von der Medizinischen Hochschule Hannover geehrt, der die medizinische Seite im Projekt vertreten hat.

Von einem marktreifen Medizinprodukt ist die Forschung noch ein Stück entfernt. Doch die Prototypen haben gezeigt, dass sich die Idee umsetzen lässt. Für die Behandlung bestimmter Knochenbrüche könnte das von Nutzen sein. „Viele Patienten lassen sich problemlos mit herkömmlichen Osteosyntheseplatten aus Titan behandeln“, sagt Müller. Allerdings gebe es Frakturen im Oberarm oder auch in der Elle, insbesondere aber am Schienbein, wo die Heilung Probleme bereite. Im Schnitt betreffe das etwa 10 % der Fälle, beim Schienbein bis zu einem Drittel der Patienten.

„Unsere Hypothese ist, dass sich die Heilung verbessern lassen könnte, wenn die Osteosyntheseplatten in der ersten Zeit nach dem Bruch weniger steif sind – wir deren Steifigkeit dem fortschreitenden Knochenwachstum aber zu einem späteren Zeitpunkt anpassen können.“ Bewiesen sei das noch nicht. Es habe bisher allerdings auch keine Möglichkeit gegeben, entsprechende Untersuchungen durchzuführen. Denn um die Steifigkeit einer einmal implantierten Platte zu verändern, sei bislang der Austausch der Platte in einer OP erforderlich.

Gebogene Strukturen aus Nitinol strecken sich

Mit bestimmten Strukturen aus Nitinol in der Mitte der Platte lässt sich die Steifigkeit von außen beeinflussen. Die dafür erforderliche Wärme kann durch die Haut durch elektrische Induktion ausgelöst werden. Strukturen, die zunächst gekrümmt sind, strecken sich dann und machen die Platte steifer. Das haben die Forscher an verschiedenen Prototypen nachgewiesen, bis hin zum Experiment an Mäusen, Kaninchen und Schafen.

„Wir hatten natürlich eine Reihe von Faktoren zu beachten, die über das hinausgehen, was bei bisherigen medizinischen Anwendungen von Nitinol relevant war“, erläutert der Mediziner. Ein Stent mit Formgedächtnis beispielsweise bleibt bei niedriger Temperatur zusammengefaltet und wird in den Körper eingebracht. Bei Körpertemperatur dehnt er sich aus, bis auf das vorgesehene Volumen.

Nitinol darf nicht schon bei Fieber reagieren

„Genau das wollten wir aber nicht, wir brauchten eine Legierung, die nicht auf die Körpertemperatur anspricht und selbst bei Fieber noch nicht reagiert.“ Laut Müller musste dafür ein Werkstoff gewählt werden, der erst bei über 42 °C die Formveränderung auslöst. Viel höher durfte die erforderliche Temperatur aber auch nicht sein, denn die Veränderung soll ja im Körper hervorgerufen werden, darf keine Schmerzen bereiten und das Gewebe nicht schädigen. Wärmebildkameras zeigten, dass die induzierte Erwärmung auf den zentralen Bereich der Platte beschränkt blieb. Das so ausgelöste Strecken der Nitinol-Elemente verdoppelt die Steifigkeit der Platte.

Forscher entwickelten eigens ein Bearbeitungsverfahren

Um zu diesen Prototypen zu kommen, war das Wissen der Ingenieure vom Laserzentrum Hannover LZH erforderlich. Sie stellten mittels Lasertechnik unterschiedlich geformte Prototypen her und mussten das dafür geeignete Bearbeitungsverfahren erst entwickeln. Wie genau die Form aussehen sollte, wurde vorab durch CAD-Simulationen der Blechdicken und der Abstände der veränderlichen Elemente erprobt. Die mechanischen Eigenschaften der Prototypen wurden im Biomechanik-Labor der Medizinischen Hochschule Hannover getestet, bevor sie in Tierversuchen eingesetzt wurden.

Die Arbeiten im Rahmen des Sonderforschungsbereichs sind inzwischen abgeschlossen. Folgeanträge werden gestellt, um die Idee weiter zu verfolgen.

„Industriepartner hatten wir bisher nicht im Boot“, sagt Müller. Bevor sich die Industrie für diesen Ansatz interessiere, müssten sicher noch einige Arbeiten ausgeführt werden. „Eine Hitzesterilisation kommt für solche Teile natürlich nicht in Frage – wir denken da an eine kalte Behandlung mit Gammastrahlen.“ Dass Nitinol teuer und nicht leicht zu bearbeiten ist, mache die Sache auch nicht einfacher.

Eine Variabilität der Steifigkeit sei grundsätzlich zwar auch mit abbaubaren Prothesen zu erreichen – allerdings in der entgegengesetzten zu der hier beschriebenen Richtung, also allein zu einer geringeren Steifigkeit hin. „Das Abbauverhalten resorbierbarer Elemente im Körper können wir aber bisher nicht kontrollieren und damit auch die Steifigkeit nicht gezielt beeinflussen.“

Anwendung bei Frakturen, Skoliose und Knie-OPs denkbar

Müller sieht aber, abgesehen von der Behandlung von Schienbeinbrüchen, auch andere Anwendungsmöglichkeiten für die Nitinol-haltigen Platten. Als Beispiel nennt er die Behandlung von Skoliose bei Kindern, wo es sinnvoll sein könne, die Steifigkeit der Implantate mit dem Wachstum zu variieren, oder Operationen am Knie, wo sich über eine Veränderung der Steifigkeit Achsen auch nach der OP korrigieren ließen. Müller schätzt, dass es bis zur Anwendung der Idee in Medizinprodukten allerdings noch ein Jahrzehnt mit Untersuchungen und Optimierungen brauchen würde.

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