Reibung ist der natürliche Feind eines jeden Gelenks, gleich ob bei Mensch oder Maschine, und daher muss sie so gering gehalten werden wie möglich. Dafür sorgt das Öl im Motor im beim Menschen die so genannte Synovialflüssigkeit, die übermäßigen Abrieb vermeidet. Trotz hoher Veredelung und widerstandfähiger Materialien nutzen sich aber auch Kunstgelenke aus Plastik, Keramik oder Metall ab und lösen sich winzigste Teilchen. Die Partikel gelangen dann in das Körpergewebe und führen in der nahen Umgebung zu andauernden Entzündungen. Dieser fortgesetzte Prozess führt schließlich dazu, dass sich die Prothese lockert und ein erneuter Eingriff vonnöten wird. Um diesen Zeitpunkt besser vorhersagen zu können, erproben Ingenieure der Eidgenössisch Technischen Hochschule (ETH) in Zürich die Kunstgelenke im harten Dauerbetrieb, berichtet Manfred Heuberger, Oberflächenforscher an der ETH: "Häufig wird bei solchen Tests untersucht, welchen Einfluss die Materialien auf die Reibung besitzen. Dabei wird das Element des Schmiermittels oft vernachlässigt." Die Schmierung werde dabei oft nur unzureichend als Wasser oder Salzwasserlösung betrachtet.
So einfach ist es aber in der Natur nicht, denn die Synovialflüssigkeit enthält einen ausgesprochenen Cocktail aus Proteinen wie vor allem dem Albumin und zahlreiche weitere Enzyme. Sie aber wiederum reagieren empfindlich auf Wärme, indem sie ihre äußere Erscheinung - ihre Faltung - ändern. Damit aber ändern sich aber auch ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften. Dazu Heuberger: "Im künstlichen Hüftgelenk haben wir eine Mischung aus gefalteten und ungefalteten Proteinen. Je höher die Temperatur infolge der Gelenkreibung, desto höher ist der Anteil der ungefalteten Proteine. Sie haften aber bevorzugt auf der Wasser abweisenden Prothesenoberfläche." Steigt die Konzentration der ungefalteten Proteine im künstlichen Hüftgelenk über rund zehn Prozent an, dann ist die Lauffläche der Prothese nahezu vollständig mit Protein bedeckt - und das beeinflusst dann die Reibung merklich. Ein Maß für den Effekt entfalteter Proteine wie das Albumin auf das künstliche Ersatzteil liefert ein so genanntes Tribometer. Es gleicht in etwa einem winzigen Plattenspieler und misst die Reibung zwischen Polyethylen und Keramik. "Auf eine Oberfläche - eine Scheibe von 30 Millimeter Durchmesser drückt ein sphärischer Pin mit einem Durchmesser von rund sechs Millimeter. Daraus entsteht wie beim Plattenspieler eine seitliche Kraft, die wir messen können."
Das Ergebnis: je schneller sich Kunststoff und Keramik im Tribometer drehen und je wärmer es wird, umso mehr Albumin entfaltet sich und heftet sich an die Wasser abstoßende Oberfläche der Prothese. Dadurch resultiert eine gesteigerte Reibung. Doch ob dadurch mehr Teilchen von der Prothese abgeraspelt werden oder ob der Proteinüberzug dem Verschleiß sogar entgegenwirkt, dazu will sich Manfred Heuberger noch nicht festlegen. Stattdessen veränderte er die Oberfläche der künstlichen Gelenkpfanne so, dass sie hydrophile, also "Wasser anziehende" Eigenschaften erhielt. Dadurch kann sich ungefaltetes Albumin daran nicht mehr anhaften. "Aber wir haben festgestellt, dass durch die Hydrophilisierung des Kunststoffes ein sehr starker Kompromiss bei den Materialeigenschaften gemacht werden muss. Und dadurch steigt der Abrieb eher noch an." Das ideale Kunstgelenk wird es also so bald nicht geben. Aber immerhin konnten die Testverfahren verbessert werden und werden zukünftig mehr Faktoren als bisher - wie die Gelenkschmiere - berücksichtigt.
[Quelle: Sabine Goldhahn]
So einfach ist es aber in der Natur nicht, denn die Synovialflüssigkeit enthält einen ausgesprochenen Cocktail aus Proteinen wie vor allem dem Albumin und zahlreiche weitere Enzyme. Sie aber wiederum reagieren empfindlich auf Wärme, indem sie ihre äußere Erscheinung - ihre Faltung - ändern. Damit aber ändern sich aber auch ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften. Dazu Heuberger: "Im künstlichen Hüftgelenk haben wir eine Mischung aus gefalteten und ungefalteten Proteinen. Je höher die Temperatur infolge der Gelenkreibung, desto höher ist der Anteil der ungefalteten Proteine. Sie haften aber bevorzugt auf der Wasser abweisenden Prothesenoberfläche." Steigt die Konzentration der ungefalteten Proteine im künstlichen Hüftgelenk über rund zehn Prozent an, dann ist die Lauffläche der Prothese nahezu vollständig mit Protein bedeckt - und das beeinflusst dann die Reibung merklich. Ein Maß für den Effekt entfalteter Proteine wie das Albumin auf das künstliche Ersatzteil liefert ein so genanntes Tribometer. Es gleicht in etwa einem winzigen Plattenspieler und misst die Reibung zwischen Polyethylen und Keramik. "Auf eine Oberfläche - eine Scheibe von 30 Millimeter Durchmesser drückt ein sphärischer Pin mit einem Durchmesser von rund sechs Millimeter. Daraus entsteht wie beim Plattenspieler eine seitliche Kraft, die wir messen können."
Das Ergebnis: je schneller sich Kunststoff und Keramik im Tribometer drehen und je wärmer es wird, umso mehr Albumin entfaltet sich und heftet sich an die Wasser abstoßende Oberfläche der Prothese. Dadurch resultiert eine gesteigerte Reibung. Doch ob dadurch mehr Teilchen von der Prothese abgeraspelt werden oder ob der Proteinüberzug dem Verschleiß sogar entgegenwirkt, dazu will sich Manfred Heuberger noch nicht festlegen. Stattdessen veränderte er die Oberfläche der künstlichen Gelenkpfanne so, dass sie hydrophile, also "Wasser anziehende" Eigenschaften erhielt. Dadurch kann sich ungefaltetes Albumin daran nicht mehr anhaften. "Aber wir haben festgestellt, dass durch die Hydrophilisierung des Kunststoffes ein sehr starker Kompromiss bei den Materialeigenschaften gemacht werden muss. Und dadurch steigt der Abrieb eher noch an." Das ideale Kunstgelenk wird es also so bald nicht geben. Aber immerhin konnten die Testverfahren verbessert werden und werden zukünftig mehr Faktoren als bisher - wie die Gelenkschmiere - berücksichtigt.
[Quelle: Sabine Goldhahn]