Auslegung, Herstellung und mechanisch-technologische Eigenschaften von bioresorbierbaren Schrauben aus Knochenmaterial für die Kniebandchirurgie

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Friedrich-Wilhelm Bach (†); Dr.-Ing. Hans-Georg Jacob; Professor Dr. Karl-Heinz Waldmann
• Subject Area: Biomaterials
• Term: from 2007 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 34569198

In der orthopädischen Chirurgie werden biodegradable Nichteisen-Implantate regelmäßig in der Kreuzbandchirurgie verwendet, da diese neben dem Verzicht auf einen Sekundäreingriff und eine Vermeidung des „Stress-Shielding1“ auch eine artefaktfreie Darstellung im Nativröntgenbild, CT und MRT ermöglichen. So genannte Interferenzschrauben aus Polyglykolid oder Polylaktid sind in vielen Zentren das Standardimplantat. Fremdkörperreaktionen auf diese Materialien werden allerdings in der Literatur mit bis zu 23% Wahrscheinlichkeit angegeben [1]. Ziel dieses Antrages ist die Auslegung und reproduzierbare Fertigung einer Schraube aus Knochenmaterial für die Kniechirurgie, welche in ihrem Einwachsverhalten und ihren biomechanischen Eigenschaften denen der herkömmlich eingesetzten Polymer-Schrauben überlegen ist. Zur Auslegung einer geeigneten Schraubengeometrie soll im Rahmen des Forschungsvorhabens die Knochen/Sehnen-Schraubenverbindung durch geeignete Stoffgesetze modelliert werden. Hierzu sind durch biomechanische Testungen die Stoffdaten der Komponenten, wie Knochen- und Sehnenmaterialien, zu ermitteln. Um eine spätere, möglichst gute Knochenheilung zu ermöglichen, werden die Schrauben mit der gewebeschonenden athermischen Wasserstrahltechnik gefertigt. Alle Fertigungsschritte vom Reinigen des Rohmaterials bis hin zur Fertigung der Schrauben mit den Schritten Bohren, Abtragen und Drehen können mit diesem Verfahren berührungslos vollzogen werden. Für die notwendigen Fertigungsschritte werden Gesetzmäßigkeiten für Parametereinflüsse herausgearbeitet, um eine hohe Reproduzierbarkeit der Schraubengeometrien zu gewährleisten. Die durch den Strahlprozess gegebenen Randbedingungen (Strahldurchmesser, Rauheiten, etc.) werden ermittelt und in der Auslegung der Schrauben berücksichtigt. Um eine Vergleichbarkeit der Schraubenfestigkeit mit bereits eingesetzten Polymerinterferenzschrauben zu gewährleisten, sollen biomechanische Tests der Schrauben durchgeführt werden, deren Ergebnisse iterativ in die Schraubenauslegung zurückfließen. Das prognostizierte gute Einwachsverhalten der Schrauben aus Knochenmaterial soll weiterhin durch Tierversuche am Schweinemodell nachgewiesen werden, da Schweine gegenüber Schafen ein dem Menschen eher entsprechendes Verhältnis zwischen Spongiosa und Kortikalis aufweisen. Dabei soll in der ersten Phase als Referenz die Schraubengeometrie einer Standard-Polymerschraube aus Knochenmaterial gefertigt werden, um den Geometrieeinfluss auf das Einwachsverhalten auszuschließen. Nach zwei Jahren soll als Ziel eine belastungsangepasste Schraube aus Knochenmaterial reproduzierbar herstellbar sein, die gegenüber Vergleichsschrauben deutlich bessere mechanisch-technologische Eigenschaften besitzt. In der zweiten Antragsphase (3. Antragsjahr) soll die funktionale Überlegenheit der belastungsangepassten Schraube aus Knochen gegenüber den Polymerschrauben durch eine zweite Tierversuchsreihe im für Kniebandrekonstruktionen geeigneteren Schafsmodell verifiziert werden. Hierbei werden die Interferenzschrauben wiederum gefertigt und als Sehnenimplantatbefestigung eingesetzt. Durch Verlaufskontrollen und post mortem durch biomechanische Prüfung der Knochen/Sehnen-Knochen-Verbindung wird die funktionale Überlegenheit überprüft.

• DFG Programme: Research Grants