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Laser beschichten künstliche Gelenke



Künstliche Knochen und andere orthopädische Implantate ersetzen beschädigte Gelenke oder stützen das Skelett. Seit Jahrzehnten sind sie aus der Medizin nicht mehr wegzudenken. Doch ihre Lebensdauer reicht nicht aus, oft müssen sie in riskanten Folgeoperationen erneuert werden. Um orthopädische Implantate langlebiger zu gestalten und besser mit dem natürlichen Knochenbau zu verbinden, setzen die Forscher auf neue Entwicklungen aus der Lasertechnik.

Orthopädische Implantate ertragen im Körper erhebliche Belastungen. Wie natürliche Knochen werden sie auf Biegung beansprucht, müssen Verdrehungen und Druck aushalten. Deshalb bestehen die Implantate in der Regel aus Metall, das von einer Beschichtung umgeben ist. Diese Schutzschicht hemmt die biologischen Abwehrreaktionen des Körpers und verlängert die Lebensdauer der künstlichen Knochen. Meistens kommt Trikalziumphosphat zum Einsatz, eine Biokeramik, die der Körper als eigenes Material anerkennt. Ähnlich wie beim Schweißen wird das Schichtpulver auf der Metalloberfläche durch hohen Druck und Flammen aufgeschmolzen. Dieses Verfahren nennt man Plasma-Spraying. Doch die keramische Schutzschicht haftet nur ungenügend auf dem Implantat und bröckelt mit der Zeit ab. Damit löst sich auch die Verbindung zum Skelett, ein solches Implantat muß alle sieben bis zehn Jahre gewechselt werden. Ab der zweiten Erneuerung steigt jedoch das medizinische Risiko. Der natürliche Knochen wächst nicht mehr richtig an das Implantat an. Das betroffene Gelenk versteift.

Bei dem neuen Verfahren trägt ein Pulslaser die Schutzschicht auf. Dafür wurde die biokeramische Masse erheblich verbessert, sie erhielt die Bezeichnung Laserapatite. Als Implantatmaterial dienen Titan oder Titanlegierungen, die sehr zäh, fest und leicht sind. Laserapatite haften schon bei Schichtdicken zwischen 1 und 3 tausendstel Millimeter mit mehr als 58 Megapascal Druck auf dem Implantat. Experimente an Hunden und Kaninchen bestätigten diese hervorragenden Werte. Außerdem wuchsen die natürlichen Knochen schnell an und hielten die Implantate im Skelettverbund fest. Damit unterscheiden sich die Laserapatite wesentlich von allen anderen Beschichtungen.

Aufgetragen wird die Keramik durch einen leistungsfähigen Pulslaser, der das Schichtpulver in einer Vakuumkammer unter einem Argon-Fluorid-Schutzmantel aufträgt. Pulslaser haben gegenüber anderen Aufschmelzverfahren den Vorteil, daß sie kleine Energien punktgenau umsetzen können. Dadurch dringt die Schmelzwärme nicht sehr tief in das Implantat ein, das Material bleibt stabil. Bei herkömmlichen Verfahren glühen vor allem dünnwandige Implantatteile oft aus und brechen schnell. Ein mehrdimensionales Robotersystem, dessen Laser auf sechs Achsen beweglich sind, kann jedes beliebige Implantat mit Biomaterialien beschichten.


Maßgeschneiderte Implantate



Mit Pulslasern lassen sich sämtliche Verfahrensparameter genau einstellen, etwa Einwirkzeit des Lasers auf das Schichtpulver, Intensität des Laserlichts und Eindringtiefe in das Metallimplantat. Das war bislang in dieser Genauigkeit unmöglich. Weitere Einsatzgebiete für diese Technologie eröffnen sich im Turbinenbau, in der Papierindustrie, Textilindustrie, chemischen Industrie und im Automobilbau.

Die neue Laserbeschichtung erhöht den Spielraum für die Gestaltung und Herstellung der Implantate gewaltig. Das Robotersystem beschichtet nicht nur, sondern kann leicht abgewandelt auch schweißen oder zerspanen. Der angeschlossene Computer könnte den Roboter so ansteuern, daß sich virtuelle Prototypen günstig umsetzen lassen. Es läßt sich auch genau berechnen, wie stark sich das Implantat im Körper aufgrund der körpereigenen Temperatur ausdehnt. Zugleich werden sehr dünnwandige Implantate, bisher ein ungelöstes Problem der Orthopädie, möglich. Plasma-Spraying würde die Implantate im dünnwandigen Zustand von der Oberfläche her zerstören und ihre Materialstruktur verändern. Um die dünnen Spannschalen von Implantaten im Bereich der Beckenknochen zu beschichten, kommt überhaupt nur der Pulslaser in Frage.

Implantate im Beckenraum bestehen aus Kunststoff, der dick in Zement eingelagert ist. Geschlitzte Außenschalen aus Metall klammern die Kunststoffteile, mit der Zeit verstärkt der anwachsende Knochen die Klammerung. Eine mittels Pulslaser aufgebrachte Schicht erhöht die Verschleißfestigkeit des Implantats erheblich. Beachtet man noch den Ausdehnungseffekt durch die Körperwärme, kann sich das Implantat selbst im Beckenknochen verriegeln. Über die feste Beschichtung erhält das Implantat eine optimale Anbindung an den natürlichen Knochen. Auch die Spezialschrauben und Haken für Implantate an der Lendenwirbelsäule könnten künftig dünner gewählt werden. Die Teile wachsen dann besser in den natürlichen Knochen hinein, wirken wie feste Anker. Die Lebensdauer der künstlichen Gelenke steigt auf 15 bis 20 Jahre. Bei Hüftschäften, die ebenfalls sehr dünn sind, verhindern spezielle Werkzeuge, daß sich Splitter der Schichtkeramiken lösen und im Körper wandern können. Sie setzen sich sonst im Gehirn oder in den Lymphknoten fest, wo sie schwerste gesundheitliche Schäden zur Folge haben können. Laserbeschichtete Hüftschäfte neigen deutlich weniger zum Bruch als Implantate, bei denen die Biokeramik mit Plasma-Spraying aufgetragen wurde. Es gibt faktisch kein Gelenkersatzimplantat, das von dem neuen Verfahren nicht profitieren könnte.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1999, Seite 931
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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