Ausgangssituation

Dauerhaft im Körper verbleibende Implantate zur Behandlung von Knochendefekten, sogenannte Endoprothesen, führen häufig zu einer unnatürlichen Krafteinleitung in den nativen Knochen. Das Resultat sind Spannungsspitzen sowie Mikrobewegungen zwischen dem metallischen Implantat und der Verankerung im verbleibenden Knochen. Aktuelle Ansätze mittels defektfüllender, patientenindividueller Implantate konnten diese Problemstellung bis heute nicht nachhaltig lösen, weshalb Implantatlockerungen und infolgedessen Zweiteingriffe weiterhin auf der klinischen Tagesordnung stehen. Insbesondere Implantate mit mechanisch kritischen Verankerungsfällen, wie z. B. der künstliche Ersatz der Hüftpfanne (Acetabulum) bei großen Knochendefekten, können mit Hilfe neuer Auslegungs- und Fertigungsverfahren so gestaltet werden, dass Spannungsspitzen im Übergang zwischen dem Knochen und dem Implantat deutlich reduziert werden.

Zielsetzung und erwartete Ergebnisse

Das Projekt Asimov zielt darauf ab, das Implantat so zu gestalten und herzustellen, dass dessen Verformungseigenschaften möglichst dem natürlichen Verhalten des Knochens entsprechen. Die Implantate können sich somit unter Belastung im Übergang zum Knochen in ähnlicher Weise verformen wie ihr biologisches Vorbild. Dadurch soll das klinische Versagensmuster der Implantatlockerung aufgrund von lokalen Über- und Unterbelastungen beim Einsatz steifer Implantate (sogenanntes „stress shielding“) vermieden werden. Das Ergebnis des Projekts ist eine Methode zur Auslegung und Herstellung von neuartigen Endoprothesen, z. B. Implantaten zum Gelenkersatz, mit natürlichem Verformungsverhalten und dadurch deutlich verlängerter Standzeit im Körper. Somit erhöht sich die Lebensqualität der Patienten und es entsteht ein nachhaltiger Kostenvorteil für die Krankenversorgung.

Vorgehensweise

Der Lösungsansatz, der in Asimov verfolgt wird, greift auf die Topologie- und Gitterstrukturoptimierung für die Auslegung sowie die Additive Fertigung zurück. Diese Kombination der Auslegungs- und Fertigungsmethoden soll erstmalig die Herstellung von Endoprothesen mit natürlichem Verformungsverhalten ermöglichen. Im ersten Schritt wird eine Optimierungsmethode zur verformungsangepassten Auslegung von Implantaten am Anwendungsbeispiel einer künstlichen Hüftpfanne (Acetabulum) mittels Finite-Elemente-Simulationssoftware und neuartiger voxel- und netzbasierter Konstruktionsumgebungen realisiert. Additive Fertigungsverfahren für biokompatible Legierungen, wie z. B. das Laser-Strahlschmelzen, ermöglichen die Fertigung komplexer Geometrien und stellen somit das Mittel der Wahl bei der Produktion der Implantate dar. Im zweiten Abschnitt des Projekts werden hierfür am iwb geeignete Fertigungsstrategien entwickelt. Um die Ergebnisse aus dem Auslegungs- und Fertigungsprozess direkt bewerten zu können, werden entwicklungsbegleitend kontinuierlich mechanische Prüfungen durchgeführt und die Erkenntnisse zurückgeführt. Die enge Verzahnung von softwarebasierter Optimierung, zeitlich schneller und flexibler Additiver Fertigung sowie biomechanischer Validierung stellt sicher, dass im Projekt belastbare Ergebnisse erzielt werden. Die aus Asimov hervorgehende Methode zur Auslegung und Herstellung von Implantaten mit einer anatomiespezifischen Implantatverankerung kann anschließend auf weitere orthopädische Anwendungsfälle bzw. Implantate angewendet werden, um zusätzliches wirtschaftliches Potenzial zu erschließen.

Dank

Der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) gilt für die umfangreiche Förderung des Forschungsprojekts ASIMOV ein ganz besonderer Dank.