Auslegung, Herstellung und mechanisch-technologische Eigenschaften von bioresorbierbaren Schrauben aus Knochenmaterial für die Kniebandchirurgie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Fixierung der Patellarsehne mittels so genannter Interferenzschrauben gilt als Standardverankerungstechnik bei der Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes. Hierbei werden vermehrt bioresorbierbare Polymer-Interferenzschrauben eingesetzt, deren Degradationsverlauf schlecht vorhersehbar ist und bei denen es immer wieder zu Fremdkörperreaktionen kommt. In diesem Projekt sollten Schrauben aus Rinderknochen mittels Wasserabrasivstrahltechnik reproduzierbar hergestellt werden, deren Einwachsverhalten in einer Tierstudie überprüft sowie deren Geometrie unter Zuhilfenahme biomechanischer Prüfung und FEM-Simulationen für die Anwendung optimiert werden. Im Projektzeitraum wurden wesentliche Erkenntnisse im Bereich der Bearbeitung von kortikalem Knochenmaterial durch das gewebsschonende Wasserabrasivinjektorstrahlverfahren (WAIS) gewonnen. Hierbei konnte nicht nur das Schneiden des inhomogenen Materials modelliert werden, sondern ebenfalls wertvolle Erkenntnisse im Bereich des WAIS-Bohrprozesses sowie des Dreh- und Gewindeschneidens errungen werden. Diese Erkenntnis konnten dazu genutzt werden, Interferenzschrauben aus Rinderknochen unterschiedlicher Geometrien reproduzierbar herzustellen. Durch den geringen Wärmeeintrag dieser Bearbeitungsart konnten madenförmige Schrauben mit einer Werkzeuginnenaufnahme gefertigt werden, ohne irreversible Schädigungen am Knochenmaterial hervorzurufen, die in einem ggf. schlechteren Einwachsverhalten resultieren könnten. In der biomechanischen Prüfung konnte hierbei die Eignung der Schrauben aus Knochenmaterial zur Verankerung eines Patellarsehnenimplantates bewiesen werden und die Schraubengeometrie in Zusammenhang mit FEM-Berechnungen optimiert werden. Die Ergebnisse der FEM-Simulationen sowie der praktischen biomechanischen Prüfung zeigen, dass eine Schraube mit einem Eingangs- sowie Ausgangswinkel von 50° bzw. 70° und einer Steigung von 3 mm unter Berücksichtigung des Eindrehmoments sowie der Verankerungsfestigkeit als Interferenzschraube geeignet scheint. Für die Werkzeugaufnahme erwies sich in der Simulation der Sechskant gefolgt vom Vierkant als besonders geeignet. Bei den experimentellen Untersuchungen konnte die Vierkantgeometrie die größten Drehmomente ohne Versagen übertragen. Beim Sechskant kam es aufgrund des schlechteren Formschlusses zum Durchdrehen des Werkzeugs. Die Tierversuche zeigten, dass eine durch die WAIS-Technik hergestellte xenogene Schraube bereits ab einer Zeit von 30 Tagen nach Implantation dem so genannten Remodelling unterliegt und das eingebrachte Material mit der Zeit vom Wirtsknochen umgebaut und durch eigenen Knochen ersetzt wird. Nach einer maximalen Implantationsdauer von 270 Tagen waren die eingebrachten knöchernen Schrauben zum Teil vollständig in den Wirtsknochen integriert. Im Vergleich stellten sich die genutzten bioresorbierbaren Referenzschrauben aus Poly(L-Lactid) auch nach 270 Tagen inert dar. In zukünftigen Arbeiten sollten weitere Parameter, die einen Einfluss auf die Knochenheilung haben könnten evaluiert werden. Hierbei ist die Porosität des Implantatknochens zu nennen, sowie der Formschluss des Implantats mit dem Wirtslager. Aber auch die vor der Implantation notwendige Prozessierung des Knochenmaterials durch den Tutoplast®-Prozess sollte im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften sowie den Einfluss auf das Einwachsverhalten näher untersucht werden. Aufgrund der sehr vielversprechenden Erfahrungen mit den xenogenen Knochenschrauben sind weitere mögliche Anwendungsfelder von knöchernen Schrauben als Implantat im Bereich der gering lasttragenden Fragmentschrauben in der Fuß- sowie Gesichtschirurgie zu nennen. Hierzu ist eine Minimierung des Wasserabrasivstrahles notwendig, um auch kleine Gewinde fertigen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Investigation of the AWIJ-Drilling Process in Cortical Bone. Proceedings of the 2007 American WJTA Conference and Expo, August 19-21, Houston, USA, Paper 1-D
Bach, Fr.-W.; Biskup, C.; Kremer, G.; Schmolke, S.
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Materialbearbeitung mit Hochdruckwasserstrahlen – Anwendungsgebiete und Entwicklungstrends. Vortragsband zum Fachkolloquium „Innovative Technologien für die Bearbeitung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe“. Technische Universität Dresden, Dresden, 25. September 2009, ISBN 978-3-86780-133-1
Bach, Fr.-W.; Hassel, T.; Schenk, A.; Biskup, C.
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Simulation of the fixation of cruciate ligament reconstruction with interference screws. Proceedings of the XXXVI European Society for Artificial Organs (ESAO) Congress, Compiègne, France, 2.-5. September 2009
Besdo, S.; Biskup, C.; Klodmann, J.; Jacob, H.-G.; Glasmacher, B.; Bach, F.-W.
