Hüftprothesen: "Individuell gefertigte Pfannen werden momentan nur bei großen Defekten eingesetzt"

Grund für die erneute Operation kann die Migration der Prothese in den Knochen sein, die durch natürlichen Knochenumbau nach der Implantation verursacht wird. COMPAMED.de sprach mit Dipl.-Ing. Stefanie Betancur Escobar, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover, über ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren für patientenindividuelle Hüftprothesenpfannen, die den Knochenumbau und seine Folgen mindern sollen. Das Verfahren wird im Sonderforschungsbereich (SFB) 599 "Zukunftsfähige bioresorbierbare und permanente Implantate aus metallischen und keramischen Werkstoffen" erforscht.

COMPAMED.de: Frau Betancur Escobar, wie kommt es zur Migration von Hüftprothesenpfannen nach der Implantation?

Stefanie Betancur Escobar: Generell kann es bei jedem Implantat zur Migration kommen. Es wird ein Material implantiert, dessen Eigenschaften sich von denen des umgebenden Knochens unterscheiden. Diese führen dann dazu, dass Kraft unphysiologisch in den Knochen eingeleitet wird – anders, als es im ursprünglichen Skelett der Fall ist. Der Knochen passt sich der veränderten, neuen Beanspruchung an, was ein natürlicher Prozess ist.

Durch eine unphysiologische Krafteinleitung kann auch dort Knochen abgebaut werden, wo es normalerweise nicht der Fall ist. Dann kann die Prothese ins Innere des Beckens wandern, manchmal sogar um mehrere Millimeter, und sich dann irgendwann auch lockern. Die Krafteinleitung hängt nicht nur vom Material ab, sondern auch von der Geometrie der Prothese.

COMPAMED.de: Prothesenpfannen, die individuell an den Knochen eines Patienten angepasst werden, sollen den Vorgang abmildern oder verhindern. Wie gebräuchlich sind sie?

Betancur Escobar: Individuell gefertigte Pfannen werden momentan nur bei großen Defekten eingesetzt. Das ist vorstellbar bei Tumoren, die in der Hüfte entstehen und großräumig entfernt werden müssen. Auch bei der Revision, wenn eine bereits vorhandene Prothese ersetzt werden muss, kommen individuelle Modelle in Frage. In der Primärversorgung sind sie aber noch nicht gebräuchlich.

COMPAMED.de: Mit welchen Verfahren werden die individuellen Pfannen bisher hergestellt?

Betancur Escobar: Das meistverbreitete Verfahren ist Selective Laser Melting, bei dem Material in einem Pulverbett zur gewünschten Form zusammengeschmolzen wird.

COMPAMED.de: Im SFB 599 arbeiten Sie an einem Herstellungsverfahren mit Blechumformung, das eine wirtschaftliche und weniger aufwendigere Alternative darstellt. Welche Rolle spielt die sogenannte Universalbeckengeometrie, die Sie erarbeitet haben?

Betancur Escobar: Im ersten Teil unseres Prozesses wollen wir mit einem Hochdruck-Blechumform-Verfahren ein Bauteil in Serie anfertigen. Dann kommt im zweiten Teil der Individualisierungsschritt. Für die Serienfertigung ist die Universalgeometrie essentiell, denn sie soll das Verfahren wirtschaftlicher machen.

COMPAMED.de: Mit welchen Daten haben Sie diese Geometrie erstellt?

Betancur Escobar: Bis jetzt haben wir das Prinzip an CT-Daten von Hundehüften etabliert. Wir wollen diese Datenbasis aber noch erweitern. Dann übertragen wir das Prinzip auf den Menschen, um die Universalgeometrie der Menschenhüfte aus CT-Daten zu entwickeln.

COMPAMED.de: Wie wird der entscheidende Schritt von der universellen zur individuellen Geometrie vollzogen?

Betancur Escobar: Zuerst wird virtuell eine parametrische Anpassung durchgeführt: Die Universalgeometrie wird über die Individualgeometrie des Patienten gelegt und an den erforderlichen Stellen angepasst. In der Fertigung soll das universelle Bauteil in einem doppelt wirkenden Gummiziehverfahren angepasst werden.

Wir planen die Umformung mit zwei Gummimatrizen, die durch eine verstellbare Vorrichtung variiert werden können. Die Variation der Matrizen soll dann an den erforderlichen Stellen kleine Aufweitungen des universellen Stücks ermöglichen.

COMPAMED.de: Wie sieht die Erprobung des Verfahrens aus?

Betancur Escobar: Für die Erprobung planen wir biomechanische Tests. Dazu gehören Implantationstests und Belastungstests des hergestellten Bauteils.

Derzeit sind wir noch dabei, alles zu simulieren. Die Geometrien, die wir herstellen wollen, untersuchen wir in Finite-Element-Simulationen (FE) und können damit hoffentlich schon eine Aussage über den Knochenumbau nach der Implantation treffen. In den FE-Simulationen sind die Geometrie des Knochens und seine Dichtewerte hinterlegt. Implantieren wir virtuell eine Prothese und simulieren die Krafteinleitung, gibt das Modell Auskunft über Bereich und Ausmaß des Knochenumbaus. So können wir vorhersagen, in welchen Bereichen die Veränderung des Knochens kritisch wird und wie die Geometrie geändert werden muss.