Verringerung des Bruchrisikos an modularen Konusschnittstellen in orthopädischen Endoprothesen durch Steigerung der Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit mittels gezielten Oberflächenmodifikationen an der Konusschnittstelle

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Gibmeier; Professor Dr. Jan Philippe Kretzer
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525058197

Die modularen Schnittstellen von Revisions-Hüftgelenksimplantaten unterliegen aus klinischer Sicht einem erhöhten Frakturrisiko, aus dem sich aufwändige Folgeoperationen für die Patienten ergeben können. Ziel des Projekts ist die Verbesserung der Haltbarkeit dieser modularen Schnittstellen und die damit einhergehende deutliche Reduktion des Bruchrisikos. Dies soll mittels gezielten Oberflächenmodifikationen an der modularen Konusschnittstelle realisiert werden. Die anvisierten Bearbeitungserfahren zielen dabei auf die Reduktion der Anfälligkeit der Schnittstelle gegen Materialermüdung unter einer gekoppelten mechanisch-korrosiven Beanspruchung. Dabei liegt das gezielte Einbringen von oberflächennahen Eigenspannungen im Fokus, da diese die erfahrungsgemäß einen hohen Einfluss auf die Ermüdungseigenschaften von Metallen haben. Im dem Gemeinschaftsvorhaben werden unterschiedliche mechanische Oberflächenbearbeitungsverfahren (Festwalzen, Festigkeitsstrahlen, Drehen) zur Modifikation der Außenkonusoberfläche angewandt, die zu unterschiedlichen Eigenspannungstiefenverteilungen und unterschiedlichen Oberflächenrauheiten führen. Neben der Optimierung der Schnittstelle soll auch ein besseres Verständnis der Effekte der Oberflächenbearbeitungsverfahren auf das Ermüdungsverhalten in einer korrosiven Umgebung erzielt werden, da über die Wirkung von Eigenspannungen bei einer gekoppelten mechanisch-korrosiven Belastung wenig bekannt ist. Durch ein systematisches Vorgehen bei den Untersuchungen sollen die Einflussfaktoren Eigenspannungszustand der Fügepartner, Konustopographie und Konusgeometrie auf die Haltbarkeit der Schnittstelle systematisch untersucht werden. Bei allen Variationen der Konusschnittstelle wird das Reibermüdungsverhalten unter kombinierter dynamisch-mechanischer Beanspruchung im physiologischen Rahmen charakterisiert. Weiterhin wird die Stabilität der Eigenspannungen im Verlauf der dynamischen Belastung analysiert, um deren Wirksamkeit über den Verlauf der Ermüdungsversuche bewerten zu können. Anschließend wird das Belastungsszenario um eine korrosive Beanspruchung erweitert, um zu bewerten, ob das Versagen der Konusschnittstellen ermüdungsgetrieben oder korrosionsgetrieben ist. In langzeitdynamischen Tests werden schlussendlich die Effekte der verschiedenen Oberflächenmodifikationen unter einer kombinierten mechanisch-korrosiven Belastung beurteilt. Die im Zuge des Projektes gewonnenen Erkenntnisse erlauben es Implantatherstellern, dem bislang ungelösten Problem des reibkorrosiven Verschleißes und des daraus resultierenden erhöhtem Implantat-Frakturrisikos zu begegnen und letztlich die historisch etablierten Konus-Schnittstellen den Belastungen moderner Implantatsysteme gezielt anzupassen. Schließlich zielt das Projekt auf die Minimierung material- und designbedingter Implantatausfälle ab, um die Belastung der Patienten und des Gesundheitssystems signifikant zu reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr. Therese Bormann