Allein in Deutschland brauchen jedes Jahr knapp einhunderttausend Menschen ein neues Hüftgelenk. Früher fertigte man solche Endoprothesen aus Metall und Kunststoff. Doch heute setzen die Chirurgen bevorzugt Kugelköpfe aus Keramik ein. So bewährt der Werkstoff bei Hüft-Operationen ist - an anderen Gelenken kann die Keramik ihre Vorteile noch nicht so recht ausspielen. Andreas Krell vom Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe:
Der Unterschied ist, dass das Knie wesentlich komplizierter aufgebaut ist, dass wir es dort insbesondere im oberen Teil, im Femur-Teil, mit sehr dünnwandigem Knochenmaterial zu tun haben und dieses auch durch eine entsprechende konstruktive Lösung des keramischen Teils nachempfunden werden muss.
Konkret: Die filigranen Bestandteile eines Kniegelenks sind schwierig zu formen. Deshalb haben die Fraunhofer-Forscher ein Verfahren namens Gelcasting entwickelt, das noch die verschnörkeltsten Ersatzteile fürs Knie hervorbringt. Man vermengt das keramische Pulver mit Wasser und kann diesen so genannten Schlicker dann in beliebig komplex gebaute Formen eingießen. Der Trick beim Gelcasting liegt darin, dass...
...man dem wässrigen keramischen Schlicker außer dem eigentlichen keramischen Pulver wenige Prozent eines organischen Stoffes beisetzt, der noch polymerisierbar ist. Das Ganze hat nach wie vor ein flüssiges Verhalten wie Wasser oder Milch und kann dann als weißer keramischer Schlicker in eine Form vergossen werden. Und man kann jetzt anschließend nach diesem Gießprozess zum Beispiel durch Wärmeerhöhung eine Polymerisation des organischen Zusatzes auslösen und bekommt dadurch das verfestigte keramische Produkt, das man aus der Form wieder herausnehmen kann und dann dem üblichen Wärmebehandlungsprozess zuführt.
Ein weiteres Hindernis für keramische Knieprothesen: Ersatzteile für das Knie müssen sehr fest sein. Bei einer dickschaligen Hüftkugel genügt die Festigkeit der gängigen Keramiken, doch im Kniegelenk muss der Werkstoff größere Belastungen aushalten. Ein Weg zu solchen hochfesten Keramiken führt über Ausgangsstoffe, deren Teilchen nur noch Nanometer groß sind. Bei diesen Forschungsarbeiten profitiert Andreas Krell von Beiträgen aus den benachbarten Dresdner Fraunhofer-Instituten.
Das bedeutet, dass ich auch ganz enge Beziehungen habe zur werkstoffprüfenden Abteilung im Nachbarinstitut für Oberflächentechnologien, weil dort zum Beispiel aufwändige Methoden vorhanden sind zur Mikrocharakterisierung von Oberflächen, die wir uns alleine - jedes Institut für sich - nicht leisten könnten.
Keramische Komponenten taugen nicht nur als Prothesen, sondern können auch für andere medizinische Zwecke nützlich sein. In einem Projekt untersucht der Fraunhofer-Forscher Andreas Schönecker, wie piezoelektrische Keramiken Heilprozesse beschleunigen können.
Es ist bekannt, dass Knochengewebe, das im Körper geschädigt ist oder Knochenbrüche schneller heilen, wenn sie mechanischen Belastungen unterliegen. Das kann sowohl durch Gehen sein oder durch eine externe Stimulation.
Um diesen Prozess zu erforschen, wurde eine Wachstumskammer gebaut. Darin befindet sich in einer Nährlösung ein Trägermaterial, das mit Knochenzellen besiedelt ist. Dieser Träger wird mittels piezoelektrischer Bauteile, so genannter Aktoren, ständig geringfügig verbogen - so als ob der Knochen wie beim Spazierengehen belastet wird. Wie die Fraunhofer-Forscher herausgefunden haben, stimuliert diese Bewegung das Zellwachstum. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, Ultraschall anzuwenden. Auch dann scheint der Knochen schneller zu wachsen. Bei der Frage nach den Ursachen tappen die Forscher allerdings noch im Dunkeln. Andreas Schönecker:
Ist es Ernährung? Ist es also ein Mikrofluss von Ernährungsflüssigkeit an die Zelle heran oder ist es eine piezoelektrische Kopplung, das heißt, dass durch eine mechanische Stimulation polare Zonen an den Zellen auftreten, die das Wachstum stimulieren, also ein elektromechanischer Mechanismus. Oder ist es ein Mechanismus, der in das Innere der Zelle eingreift? Genau das ist die spannende Frage.
Der Unterschied ist, dass das Knie wesentlich komplizierter aufgebaut ist, dass wir es dort insbesondere im oberen Teil, im Femur-Teil, mit sehr dünnwandigem Knochenmaterial zu tun haben und dieses auch durch eine entsprechende konstruktive Lösung des keramischen Teils nachempfunden werden muss.
Konkret: Die filigranen Bestandteile eines Kniegelenks sind schwierig zu formen. Deshalb haben die Fraunhofer-Forscher ein Verfahren namens Gelcasting entwickelt, das noch die verschnörkeltsten Ersatzteile fürs Knie hervorbringt. Man vermengt das keramische Pulver mit Wasser und kann diesen so genannten Schlicker dann in beliebig komplex gebaute Formen eingießen. Der Trick beim Gelcasting liegt darin, dass...
...man dem wässrigen keramischen Schlicker außer dem eigentlichen keramischen Pulver wenige Prozent eines organischen Stoffes beisetzt, der noch polymerisierbar ist. Das Ganze hat nach wie vor ein flüssiges Verhalten wie Wasser oder Milch und kann dann als weißer keramischer Schlicker in eine Form vergossen werden. Und man kann jetzt anschließend nach diesem Gießprozess zum Beispiel durch Wärmeerhöhung eine Polymerisation des organischen Zusatzes auslösen und bekommt dadurch das verfestigte keramische Produkt, das man aus der Form wieder herausnehmen kann und dann dem üblichen Wärmebehandlungsprozess zuführt.
Ein weiteres Hindernis für keramische Knieprothesen: Ersatzteile für das Knie müssen sehr fest sein. Bei einer dickschaligen Hüftkugel genügt die Festigkeit der gängigen Keramiken, doch im Kniegelenk muss der Werkstoff größere Belastungen aushalten. Ein Weg zu solchen hochfesten Keramiken führt über Ausgangsstoffe, deren Teilchen nur noch Nanometer groß sind. Bei diesen Forschungsarbeiten profitiert Andreas Krell von Beiträgen aus den benachbarten Dresdner Fraunhofer-Instituten.
Das bedeutet, dass ich auch ganz enge Beziehungen habe zur werkstoffprüfenden Abteilung im Nachbarinstitut für Oberflächentechnologien, weil dort zum Beispiel aufwändige Methoden vorhanden sind zur Mikrocharakterisierung von Oberflächen, die wir uns alleine - jedes Institut für sich - nicht leisten könnten.
Keramische Komponenten taugen nicht nur als Prothesen, sondern können auch für andere medizinische Zwecke nützlich sein. In einem Projekt untersucht der Fraunhofer-Forscher Andreas Schönecker, wie piezoelektrische Keramiken Heilprozesse beschleunigen können.
Es ist bekannt, dass Knochengewebe, das im Körper geschädigt ist oder Knochenbrüche schneller heilen, wenn sie mechanischen Belastungen unterliegen. Das kann sowohl durch Gehen sein oder durch eine externe Stimulation.
Um diesen Prozess zu erforschen, wurde eine Wachstumskammer gebaut. Darin befindet sich in einer Nährlösung ein Trägermaterial, das mit Knochenzellen besiedelt ist. Dieser Träger wird mittels piezoelektrischer Bauteile, so genannter Aktoren, ständig geringfügig verbogen - so als ob der Knochen wie beim Spazierengehen belastet wird. Wie die Fraunhofer-Forscher herausgefunden haben, stimuliert diese Bewegung das Zellwachstum. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, Ultraschall anzuwenden. Auch dann scheint der Knochen schneller zu wachsen. Bei der Frage nach den Ursachen tappen die Forscher allerdings noch im Dunkeln. Andreas Schönecker:
Ist es Ernährung? Ist es also ein Mikrofluss von Ernährungsflüssigkeit an die Zelle heran oder ist es eine piezoelektrische Kopplung, das heißt, dass durch eine mechanische Stimulation polare Zonen an den Zellen auftreten, die das Wachstum stimulieren, also ein elektromechanischer Mechanismus. Oder ist es ein Mechanismus, der in das Innere der Zelle eingreift? Genau das ist die spannende Frage.