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Der Weg zu besseren Knochenimplantaten

Die Biomechanik ist ein extrem interdisziplinäres Forschungsfeld. Auch Luft- und Raumfahrtingenieure sind mit der Thematik befasst. An der Uni Stuttgart entwickeln sie Gleichungen und Modelle, um das Zusammenspiel von Knochen und Implantaten besser zu verstehen. Die Ergebnisse sollen in die Entwicklung neuer Implantate und Implantat-Strukturen einfließen.

Schon seit Mitte der achtziger Jahre befasst sich der Diplom-Ingenieur Gunter Faust mit der Biomechanik von Knochen, Implantaten und Muskelkräften. Er entwickelt Gleichungssysteme, um ihre Interaktion möglichst genau berechnen zu können und zwar ausgehend von der Finite-Elemente-Methode aus der numerischen Mathematik. Sie hat Tradition am Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen (ISD) der Uni Stuttgart: „John Argyris war der Gründer unseres Instituts und einer der Urväter der Finite-Elemente-Methode. Sie hat sich als gute Methode erwiesen, um nicht nur im Flugzeugbau genauere Ergebnisse zu berechnen“, erzählt Faust.

Da es dort ebenso wie bei Knochen und Implantaten auf Festigkeit, Stabilität etc. ankommt, war es keineswegs abwegig, als in den 80er-Jahren ein Zahnmediziner am ISD um Hilfe bat. Er wollte neue, bessere Methoden entwickeln, um Zahnimplantate im Unterkiefer langfristiger zu verankern. Dazu war er auf der Suche nach einer bestmöglichen Berechnungsmethode für das Zusammenspiel von Knochen und Implantaten. „Ein wichtiger Aspekt war hier wie bei allen Knochenimplantaten die Langzeitstabilität“, so Faust.

Die Suche nach der passenden Gleichung

Für ihn war es der Startpunkt, sich intensiv in die Biomechanik des Knochenwachstums und -umbaus einzuarbeiten. „Wir befassen uns mit der Struktur der Spongiosa, also der inneren trabekulären Knochensubstanz, und zwar an den Stellen, an denen Implantate einwachsen, zum Beispiel Hüftgelenk-Implantate“, sagt Faust. Ihm geht es darum, neue Gleichungssysteme zu entwickeln, die den dort stattfindenden Knochenumbau berechenbar machen.

Migrationsprozess des Schenkelhalsbolzens entgegen der statischen Belastung (Bilder unten links und unten Mitte) © Faust/Universität Stuttgart

„Unser Problem ist: Wie modelliere ich den Knochenumbau rechnerisch. Da aus unserer Betrachtung alle Prozesse in der Natur nichtlinear ablaufen, müssen auch die Prozess-Gleichungen nichtlinear sein, die den Knochenumbau beim Einwachsen des Implantates beschreiben", fasst Faust seinen Ansatz zusammen. Dass es mit linearen Gleichungen nicht klappt, hatten ihn bereits die ersten Berechnungen gelehrt. „Wir haben zunächst lineare Gleichungssysteme verwendet, damit brach die Knochenstruktur jedoch regelmäßig auf", so Faust. Inzwischen ist klar, „dass ein linear modelliertes ‚System Mensch' nicht eine Minute überleben würde", unterstreicht Faust.

Eine der schwierigsten Hürde bei seiner Arbeit ist es, die Ergebnisse experimentell zu validieren. Die Suche nach Untersuchungsobjekten führte ihn auch in den Schlachthof, wo er sich Rinderknochen besorgte. „Tote feuchte Knochen haben allerdings nur für zirka acht Stunden mit lebenden Knochen vergleichbare biologische Strukturen", räumt er ein. Auf dem Weg zum Umbau-Modell waren ihm tote Knochen trotzdem eine große Hilfe: „Wir haben die Knochenstruktur vermessen, in Koordinaten aufgelöst und eine Ausgangsgeometrie entwickelt."

Dynamische Hüftgelenkschraube (hier Targon PF der Firma AESCULAP) © AESCULAP

Davon ausgehend können weitere Berechnungen angestellt und Gleichungen aufgestellt werden. Diese könnten in eine Software mit ganz praktischem Nutzen integriert werden. Eine Vision geht in Richtung individualisierter Medizin: CT-Aufnahmen patienteneigener Knochen zeigen eine Knochenstruktur, zu der die Software die Geometrie jetzt schon liefert. „Man bekommt die persönlichen Daten zur Knochenstruktur und setzt am Computer ein Startimplantat ein, das einem virtuellen Knochenumbau unterzogen wird. Man tut so, als ob das Implantat lebt und baut anhand der Modellgleichungen Metall an oder ab. In Kombination mit dem an- und abbauenden Knochen würden sich dann aufgrund verschiedener ärztlicher Vorgaben leicht modifizierte individuelle Implantatstrukturen ergeben. Welche Implantatstruktur schließlich implantiert wird, müssten Arzt und Ingenieur gemeinsam entscheiden", erklärt Faust.

Die Berechnungen der Luft- und Raumfahrtingenieure sollen auch bei der Komposition von Implantatmaterialien helfen - in welchem Ausmaß sie zum Beispiel porös sein sollten - und wären die Basis für eine biologisch konzipierte Implantatkonstruktion. „Derartige Implantate, die nicht nur von mechanischen sondern hauptsächlich von biologischen Prinzipien geleitet werden, versprechen per Definition eine verbesserte Langzeitstabilität", so Faust.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/der-weg-zu-besseren-knochenimplantaten