Gelenk-Implantate ohne Ablaufdatum

Rechts das unbeschichtete Implantat, in der Mitte das mit DLC beschichtete Implantat mit ungenügenem Haftvermittler und dementsprechender Korrosion und links das von der Empa optimierte DL

Nach einigen Jahren müssen viele Hüft- oder Kniegelenke wieder ersetzt werden. Deutlich komplexer sind Bandscheiben-Implantate, die nach ihrem «Verfallsdatum» nicht einfach ausgewechselt werden können und bis dato in den meisten Fällen versteift werden mussten.

Dies schränkt die Bewegungsfreiheit der Patienten massiv ein. Forschenden der Empa ist es nun gelungen, bewegliche Bandscheiben-Implantate so zu beschichten, dass sie keinerlei Abrieb zeigen und erst noch ein Leben lang halten.

Durch die tägliche Beanspruchung und Bewegung im Körper nutzen sich auch die besten künstlichen Gelenke ab; das Material verschleisst, Abriebpartikel können unerwünschte Immunreaktionen auslösen, so dass ein Ersatz notwendig wird. Grundsätzlich ein Standardeingriff, der bei den meisten Implantaten bis zu drei Mal wiederholt werden kann.

Da beim Explantieren des Implantats jedes Mal Knochenmaterial verloren geht, muss das neue Gelenk mehr Knochen ersetzen und ist daher grösser. Bei Bandscheiben ist das allerdings kaum möglich. Zu nahe liegen sie an Rückenmark-Nervenbahnen und Gewebestrukturen, die bei einer weiteren Operation beschädigt werden könnten.

Bandscheiben wurden bislang nicht durch bewegliche Gelenke, sondern durch so genannte Cages ersetzt, eine Art Platzhalter, der einerseits stützt, andererseits eine Fusion der benachbarten Wirbelkörper ermöglicht, diese also zusammenwachsen lässt. Das allerdings versteift die Stelle, an der zuvor die Bandscheibe für ausreichend Bewegungsfreiheit gesorgt hat.

Diese Versteifung kann dann dazu führen, dass im Laufe der Jahre die benachbarten Bandscheiben aufgrund der höheren Beanspruchung ebenfalls versteift werden müssen. Bewegliche Bandscheiben-Implantate könnten dieses Problem verringern. Viele derzeit erhältliche Produkte bergen allerdings das Risiko, aufgrund des Materialabriebs Allergien oder Abstossungsreaktionen auszulösen.

Was macht künstliche Gelenke haltbar?

Erste Versuche, die Lebensdauer von künstlichen Gelenken zu erhöhen, wurden in der Vergangenheit von diversen Herstellern mit einer superharten Beschichtung aus DLC («diamond-like carbon») erbracht – mit katastrophalen Folgen. Rund 80% aller DLC-beschichteten Hüftgelenke versagten innerhalb von nur acht Jahren. Forscher der Empa-Abteilung «Nanoscale Materials Science» nahmen sich dieses Problems an und fanden heraus, dass das Implantatversagen nicht von der Beschichtung selber herrührte, sondern am Korrosionsverhalten des Haftvermittlers zwischen der DLC-Schicht und dem Metallkörper lag.

Diese Schicht bestand bislang aus Silizium und korrodierte im Laufe der Jahre, was zum Abplatzen der Schicht, einem stärkeren Abrieb und als Folge davon zu Knochenschwund führte. «Unser Ziel war es, einen Haftvermittler zu finden, der nicht korrodiert und ein Leben lang im Körper hält», erklärt Kerstin Thorwarth.

Bandscheiben als erster Schritt

Eine mühsame Aufgabe, wie die Empa-Forscherin betont: «Wir haben das halbe Periodensystem durchprobiert.» Schlussendlich wurde man fündig und setzte Tantal als Haftvermittler ein. Getestet wurde diese Beschichtung auf einem so genannten Total Disc Replacement – einem beweglichen Bandscheibenimplantat. 100 Millionen Zyklen, also ungefähr 100 Jahre Bewegung, wurden in einem eigens hierfür konstruierten Gelenksimulator nachgestellt.

Das kleine Bandscheibenimplantat hielt stand und blieb ohne Abrieb und Korrosion vollständig einsatzfähig. Bald soll der neue Haftvermittler in Kombination mit DLC-Beschichtungen auch bei anderen Gelenken zum Einsatz kommen. «Die Bandscheibe ist das heikelste Gelenk für Implantate. Weil sich Tantal hierbei so gut bewährt hat, kann das DLC-Projekt nun auf andere Gelenke angewandt werden», sagt Thorwarth.

Weitere Informationen
Dr. Kerstin Thorwarth, Nanoscale Materials Science, Tel. +41 58 765 45 47, kerstin.thorwarth@empa.ch
Dr. Roland Hauert, Joining Technologies and Corrosion , Tel. +41 58 765 45 47, roland.hauert@empa.ch

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