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Wenn Politiker, wie zuletzt Gesundheitsminister Daniel Bahr, laut darüber nachdenken, den Einsatz künstlicher Hüft- oder Kniegelenke aus Kosten-/Nutzenabwägun-gen für bestimmte Bevölkerungsgruppen künftig zu be-grenzen, folgt das Dementi meist auf dem Fuß. Dennoch ist es von großer gesellschaftlicher Bedeutung, die Kosten für dauerhafte Implantate wie etwa Gelenkprothesen/Endoprothesen zu senken, wenn die Versorgung in Deutschland gesichert und Endoprothesen auch in Entwicklungs- und Schwellenländern erschwinglich werden sollen. Wissenschaftler des Instituts für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) der Universität Stuttgart arbeiten an einer neuen Technologie auf Basis des keramischen Spritzgießens, mit der die Herstellkosten solcher Implantate deutlich gesenkt werden können.
Herkömmlich werden bei Hüft- und Knieoperationen routinemäßig Implantate aus Spezialstahl und einem Kunststoffgegenkörper aus Niederdruck-Polyethylen (NDPE) eingesetzt. Diese sind zwar vergleichsweise kostengünstig, ihre Ge-brauchsdauer ist jedoch je nach Belastung auf zehn bis 15 Jahre begrenzt. Deut-lich langlebiger sind keramische Implantate, deren überlegene Werkstoffeigen-schaften eine Reduktion des Verschleißes und eine bessere Biokompatibilität (Ver-träglichkeit) gewährleisten, wodurch Entzündungen im Gewebe vermindert und die Implantatlockerung verlangsamt werden. Zudem wachsen sie schneller ein und die Patienten kommen nach einer Operation rasch wieder auf die Beine. Ihr Nachteil: Die Herstellung und Endbearbeitung der spiegelglatt geschliffenen, harten und zähen Keramik erfordert eine Vielzahl an Arbeitsschritten und ist dementspre-chend teuer.
Dieser Problematik hat sich Mohammed Abou El-Ezz am Institut für Fertigungs-technologie keramischer Bauteile (IFKB) im Rahmen seiner Doktorarbeit in der Graduate School of Excellence for advanced Manufacturing Engineering Stuttgart (GSaME) angenommen. Der 26-jährige Absolvent der German University of Cairo (GUC) versucht, durch einen deutlich preiswerteren Fertigungsweg Keramikimp-lantate einem größeren und weniger vermögenden Patientenkreis zugänglich zu machen. Die Arbeit wird durch die Hans-Böckler-Stiftung finanziert und durch Insti-tutsleiter Prof. Rainer Gadow sowie den Leiter der Abteilung Hochleistungskerami-ken, Dr. Frank Kern, betreut.
Grundlegend neuer Ansatz
Um die erforderlichen hohen Qualitäten implantatkeramischer Produkte mit den Kostenzielen für einen breiteren Markt in Einklang zu bringen, wählen die Wissen-schaftler einen grundlegend neuen Ansatz entlang der gesamten Prozesskette von der Rohstoffkonditionierung über das Formgebungsverfahren bis zur Endbearbei-tung. Ihr Ziel ist es, durch die Anwendung des keramischen Spritzgießens (CIM) Implantate in einer Geometrie herzustellen, die der Endkontur schon sehr nahe kommt. Dieses in der Fachsprache als „Net-shape-Formgebung“ bezeichnete Konzept in Verbindung mit dem CIM-Verfahren macht es möglich, die Taktzeit so-wie die kostspielige Nacharbeit erheblich zu reduzieren. Allerdings erfordert das Verfahren einen höheren Anteil an Bindemittel und Hilfsstoffen, wodurch sich die Wärmebehandlung und die chemische Technik komplizierter gestalten.
Im Rahmen des Projektes wurden zunächst hochfeste und zähe Mischoxidkerami-ken entwickelt, die für die Spritzgießtechnik geeignet sind: Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Nanokomposite (ZTA: zirconia toughened alumina). Hinter der Abkür-zung verbergen sich keramische Hochleistungswerkstoffe für biomedizinische An-wendungen, die eine hohe Festigkeit, Biokompatibilität und Härte besitzen. Da-durch sind sie metallischen Werkstoffen in orthopädischen Anwendungen überle-gen. Die üblichen Nachteile der Keramiken, insbesondere die Sprödbruchanfällig-keit, können durch Verstärkungsmechanismen auf der mikroskopischen Ebene des Werkstoffgefüges vermieden werden, welche zu einer Steigerung der Bruch-zähigkeit, Härte und Dauerfestigkeit führen. Auf der Basis detaillierter Analysen der Bauteilgefüge und der Versagenskriterien sollen die Prozesse und Materialien schließlich so optimiert werden, dass man preiswerte Implantate von hoher Zuver-lässigkeit in großen Stückzahlen herstellen kann.
Erste Versuche sind vielversprechend
Bereits im Frühjahr wurden am IFKB erste spritzgegossene Hüftgelenksimplantate aus ZTA-Verbundkeramik hergestellt, wobei eine Spritzgußform zum Einsatz kam, die das deutsch-ägyptische Unternehmen HBW Gubesch Egypt in Kairo im Rah-men eines Technologietransferprojektes konstruiert und gefertigt hat. „Die Ergeb-nisse sind vielversprechend und lassen hoffen, dass diese neue Prozessroute für keramische Implantate dazu beitragen kann, die unmittelbaren Herstellkosten die-ser Produkte um bis zu 30 Prozent zu senken“, freuen sich Mohammed Abou El-Ezz und sein Doktorvater Prof. Gadow. „Wir gehen davon aus, dass sich dadurch der Kreis der Patientengruppen, die von dieser modernen Werkstofftechnologie in der Medizintechnik profitieren, in der Zukunft erheblich erweitert.“ Durch die Erhö-hung der Lebensdauer der Prothesen steigt nicht nur die Lebensqualität der ein-zelnen Betroffenen. Auch die Gesundheitskosten werden real gesenkt, da weniger Ersatzoperationen und Nachsorgemaßnahmen notwendig werden. Bei einer de-mografischen Entwicklung mit einer steigenden Anzahl alter Menschen ist dies von erheblichem gesellschaftlichem Interesse, was die Bedeutung von Forschung und Entwicklung vom Werkstoff bis zur industriellen Fertigungstechnik nicht nur für den Standort Baden-Württemberg unterstreicht.
Weitere Informationen bei Prof. Rainer Gadow, Institut für Fertigungstechno-logie keramischer Bauteile (IFKB), Tel. 0711/685-68301, E-Mail: rainer.gadow@ifkb.uni-stuttgart.de
http://www.ifkb.uni-stuttgart.de
In keramischem Spritzguss hergestellter Hüftgelenkskopf
Universität Stuttgart/IFKB
None
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Mechanical engineering, Medicine, Nutrition / healthcare / nursing
transregional, national
Research projects, Research results
German
In keramischem Spritzguss hergestellter Hüftgelenkskopf
Universität Stuttgart/IFKB
None
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