Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM)

Hüftprothesen aus Blech

| Redakteur: Peter Reinhardt

Migration einer konventionellen Pfannenkomponente: postoperativ (li.) und 3 Jahre postoperativ (re.). Die Migration der Hüftprothesenpfanne kann zum Teil erheblich sein, so dass eine Revision erfolgen muss.
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Migration einer konventionellen Pfannenkomponente: postoperativ (li.) und 3 Jahre postoperativ (re.). Die Migration der Hüftprothesenpfanne kann zum Teil erheblich sein, so dass eine Revision erfolgen muss. (Bild: IFUM)

Trotz großer Erfahrung kommt es nach Hüftgelenksimplantationen immer wieder zu Komplikationen. Abhilfe sollen individualisierte Prothesenpfannen aus Titanblech bringen. Entsprechend der Universalgeometrie werden am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) normierte Komponenten im Untermaß erstellt, die mit Hilfe der Hochdruck-Blech-Umformung in Großserie gefertigt werden.

Die Versorgung schwerer Hüftgelenkserkrankungen mit künstlichen Hüfttotalendoprothesen stellt sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin eine häufig angewendete Operationsmethode dar. Aber trotz langjähriger Erfahrung kommt es nach Implantationen immer wieder zu Komplikationen, die zu Revisionen der Implantate führen. Insbesondere die Migration der Prothesenpfanne stellt ein großes Problem dar.

Knochenabbau im Bereich der Pfannenkomponente

Eine mögliche Ursache der Migration sind die veränderten mechanischen Bedingungen, die zu einem Knochenabbau im Bereich der Pfannenkomponente führen können. Da Implantate eine höhere Steifigkeit als Knochengewebe haben, sind von den Prothesen abgeschirmten Flächen häufig unterbelastet. Dieser Effekt wird als Stress Shielding bezeichnet und kann zur Implantatlockerung oder zum Wandern der Prothese führen.

Ein weiteres Problem wird durch starken Knochenabtrag verursacht. Der ist erforderlich, um ausreichend stabile Verankerungen der Prothesenpfannen sicherzustellen, was aber künftige Revisionsoperation erschwert.

Simulation des Knochenumbaus

Um den belastungsadaptiven Knochenumbau im Gelenk nach der Versorgung mit einer Prothese abzuschätzen, kann die Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Berechnung und Quantifizierung der Knochenumbauprozesse und der damit verbundenen Implantatlockerung sowie des Materialverschleißes der Prothesengleitkomponenten verwendet werden. Am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM), Leibniz Universität Hannover, wurde folgende Simulationsmethode etabliert: Zunächst werden in Ganganalysen die Bewegungsdaten von Probanden aufgenommen. Unter Berücksichtigung weiterer Einflussgrößen wird dann ein MKS-Modell (Mehrkörpersimulation) erzeugt. Mit Hilfe der im MKS-Modell berechneten Kräfte auf das Hüftgelenk erfolgt die FEM-gestützte Berechnung des Knochenumbaus. Hierfür werden die Knochengeometrie sowie Knocheneigenschaften, wie Dichte und Steifigkeit, aus CT-Daten gewonnen. Anschließend kann ein Finite-Elemente-Modell des Knochen-Prothese-Verbundes erstellt werden. Berechnungsergebnis ist die Dichteverteilung nach Erreichen eines Gleichgewichtszustandes zwischen Knochenaufbau und -abbau.

Patientenindividuelle Prothesen

Einen vielversprechenden Lösungsansatz für die bestehenden Probleme stellen patientenindividuelle Hüftprothesenpfannen dar, die eine homogenere Krafteinleitung in den Knochen bewirken und den Knochenabtrag durch die Operation reduzieren. Zurzeit werden sie jedoch nur bei starken Fehlbildungen oder Tumorbefall im Hüftgelenk eingesetzt, da sie nicht in Großserie gefertigt werden können und in ihrer Herstellung dementsprechend kostenintensiv sind.

Hochdruck-Blech-Umformung für Hüftprothesen

Ein Verfahren zur Herstellung von knochenschonenden, kostengünstigen individuellen Prothesenpfannen auf Basis der Blechumformung wird im IFUM entwickelt. Dabei werden zum einen die Konstruktionsmethodik, zum anderen das Umformverfahren betrachtet. Den ersten Schritt der Pfannenkonstruktion stellt die Ermittlung der physiologischen Gegebenheiten des Acetabulums dar. Auf Basis von CT-Aufnahmen von gesunden und krankhaft veränderten Hüftgelenken wird mit Hilfe des Reverse-Engineering-Verfahrens eine Universalbeckengeometrie modelliert. Die Anpassung der universellen Pfannengeometrie an die patientenindividuelle Acetabulumgeometrie erfolgt schließlich durch die Einstellung der Modellparameter.

Die umformtechnische Fertigung der individualisierten Prothesenpfannen soll mittels eines innovativen Blechumformverfahrens erfolgen. Entsprechend der Universalgeometrie werden normierte Titanblechkomponenten im Untermaß erstellt, die mit Hilfe der Hochdruck-Blech-Umformung (HBU) in Großserie gefertigt werden.

Anschließend soll eine maßgerechte individuelle Weitung der erhaltenen Blechbauteile durch Nachformen mit einem modifizierten adaptiven Gummiziehverfahren durchgeführt werden. Die Auslegung dieses neuartigen Prozesses erfolgt mittels der Finite-Element-Methode.

Metav 2014, Halle 15, Stand F11

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