Knochenchirurgie Knochen tiefer schneiden dank Laser

Laser schneiden kontaktlos und präzise – ideal für die Chirurgie. Das Problem: Bei harten Geweben wie Knochen sind sie zu langsam und schneiden nicht tief genug. Forscher der Universität Basel zeigen nun, wie sie mit einem chirurgischen Laser deutlich tiefer und schneller schneiden können als mit bisherigen Lasersystemen.

Säge, Meißel und Bohrer sind bewährte Werkzeuge der Knochenchirurgie. In Zukunft könnten Laser diesen Werkzeugkasten ergänzen, v. a. wenn es um sehr präzise Schnitte geht. Da Laser keinen mechanischen Druck ausüben, können sie das Risiko für Mikrorisse reduzieren und speziellere Schnittformen ermöglichen. Damit ließen sich beispielsweise Gelenkimplantate besser einfügen, und zwar auch maßgeschneiderte, 3D-gedruckte Implantate.

Für weiche Gewebe kommen Laser bereits heute zum Einsatz. Bei Knochen waren Schnitte bisher aber nur bis zu einer Tiefe von 2 bis 3 Zentimetern möglich, viel zu wenig beispielsweise für Gelenkimplantate. Einer der Gründe für die mangelnde Schneidleistung liegt in der Form des Laserstrahls.

Forscher um Dr. Ferda Canbaz vom Department of Biomedical Engineering der Universität Basel, berichten nun im Fachjournal „Scientific Reports“ von einem Durchbruch: Ihnen ist es gelungen, Schnitte bis in eine Tiefe von 4,4 Zentimetern durchzuführen. Indem sie ein anderes Profil des Laserstrahls, also eine andere Verteilung der Energie im Strahl, verwenden, können sie das Knochenmaterial effizienter und schneller abtragen.

Gleichmäßiger verteilte Energie

„Die Energie des Laserstrahls zu erhöhen, wäre keine gute Lösung. Der Knochen könnte verkohlen und schlechter heilen“, erklärt Canbaz. „Deshalb haben wir stattdessen die Form des Lasers verändert, oder besser gesagt sein Profil.“

Beim üblichen Profil ist der Strahl in der Mitte am stärksten und wird zum Rand hin schwächer. Das ist ähnlich wie der Strahl einer Taschenlampe, der in der Mitte am hellsten ist und nach außen ausläuft. Die Intensität gleicht einer Gauß-Kurve mit einer abgerundeten Spitze in der Mitte. Beim neuen Profil ist die Spitze gekappt, so dass die Energie des Laserstrahls gleichmäßiger über die gesamte Fläche verteilt ist, bevor sie am Rand abrupt abfällt – daher der Name „Top-Hat“ (englisch für Zylinderhut). „Weil die Energie dabei gleichmäßiger übertragen wird, schneidet der Laser effizienter und schneller“, sagt der Doktorand und Erstautor Mingyi Liu.

Das Team testete die beiden Laser-Profile an Rinderknochen. Der Knochen wurde dabei mit Druckluft und Wasser gereinigt und gekühlt, um Hitzeschäden zu vermeiden und den Schnitt frei zu halten. Die Versuche zeigten: Während der Laser mit dem üblichen Gauß-Profil nur etwa 2,6 Zentimeter tief schnitt, erreichte derjenige mit dem neuen Top-Hat-Profil 4,4 Zentimeter.

Effizient auch in der Tiefe

Eine wichtige Rolle für die Effizienz beim Schneiden spielt die Tatsache, dass die Wände des Schnitts bei zunehmender Tiefe einen Teil der Energie absorbieren. Irgendwann reicht sie nicht mehr aus, um Knochenmaterial abzutragen.

Das Top-Hat-Profil verteilt die Energie gleichmäßiger. Dadurch bleibt der Laser auch in größerer Tiefe wirksam und schneidet effizient.

Großer Fortschritt in Sachen Schnitttiefe

Die Forscher sind nun daran, die Schnitttiefe und Schnelligkeit ihres Lasers weiter zu optimieren. Noch ist die Laser-Knochensäge deutlich langsamer als jene aus Metall: In einer Sekunde kann sie rund 0,4 Kubikmillimeter abtragen, eine mechanische Säge 11 Kubikmillimeter, also über 20-mal mehr. Damit ist der Laser zwar noch zu langsam, aber er nähert sich erstmals der nötigen Tiefe.

„In weiteren Schritten müssen wir untersuchen, wie wir das System an die komplexere Situation im Körper anpassen können. Dann geht es auch darum, umliegendes Gewebe zu schonen“, erklärt Canbaz.

Die Arbeiten des Forschungsteams sind Teil des „MIRACLE^II“-Projekts, das innovative Technologien für die Knochenchirurgie entwickelt und von der Werner Siemens Stiftung finanziert wird. Die Entwicklungen gehören zudem zu den ersten Schritten des Innosuisse-Projekts „Laser-Blade“, einer Kollaboration mit dem Medizintechnikunternehmen Smith&Nephew.

Originalpublikation: Mingyi Liu, Arsham Hamidi, Dunia Blaser, Darren Wilson, Kenneth Garcia, Niklaus F. Friederich, Georg Rauter, Philippe C. Cattin, and Ferda Canbaz: Influence of laser beam intensity profile on deep bone ablation in laser osteotomy. Scientific Reports (2026), doi: 10.1038/s41598-026-37117-6.

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