Fachthema

Gehämmert, nicht geschraubt

Jatros Digital, 25.01.2017

Quelle:
Fraunhofer-Gesellschaft

Orthopädie & Traumatologie

Biokeramische Schraubnägel mit spezieller Gewindeform lassen sich mit wenigen Rotationen in den Knochen einbringen. Sie verbinden sich mit der Knochensubstanz, müssen daher nicht entfernt werden und hinterlassen auch keine Hohlräume.

©Fraunhofer IFAM
©Fraunhofer IFAM
Zu Beginn der Skisaison herrscht Hochbetrieb in den alpenländischen Unfallkliniken. Einige Patienten haben danach Metall im Körper. Denn komplizierte Knochenbrüche werden meist mit Schrauben und Platten aus Titan oder Stahl fixiert. Später müssen diese operativ entfernt werden. Das ist aufwendig und belastend für die Patienten. Belässt man aber die Schrauben im Körper, können sie bei empfindlichen Menschen Entzündungen oder Allergien auslösen.
Diese Beschwerden könnten bald Geschichte sein: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, IFAM, haben gemeinsam mit Partnern der Uni-Kliniken Gießen-Marburg und Bonn sowie der Universität Bremen einen biokeramischen Schraubnagel entwickelt. Der sogenannte „Schragel“ besteht aus Kalziumphosphat und entspricht so im Wesentlichen der Zusammensetzung der Knochensubstanz.

Wichtige Aufgabenstellungen des geförderten Projekts waren laut Dr. Sebastian Hein vom IFAM, den Schraubnagel keramikgerecht zu designen und zu härten. Im Gegensatz zur herkömmlichen medizinischen Schraube aus Titan oder Polymer wird der Schragel nicht in den Knochen geschraubt, sondern vorsichtig eingehämmert. Deshalb haben die Forscher eine spezielle Gewindeform für den Schragel entwickelt. So lässt er sich mit wenigen Rotationen einbringen und vermindert die Verletzungsgefahr an Sehnen und Knochen.

Der keramische Schraubnagel muss nicht entfernt werden, weil er in den Knochen einwächst: Die beiden hauptsächlich verwendeten Biokeramiken Kalziumphosphat oder Hydroxylapatit sind dem Knochenmaterial sehr ähnlich. Das ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Polymerschrauben, die sich im Körper auflösen. Abbauprodukte von Polymerschrauben verursachen Entzündungen. Im Knochen können nach der Auflösung Hohlräume entstehen. Dadurch wird er instabil und kann leichter brechen. Keramikbasierte Schraubnägel lösen sich nicht auf, sondern verbinden sich mit dem Knochen. Im Idealfall forcieren sie laut Hein sogar den Knochenaufbau.

Die größte Herausforderung für das Entwicklerteam von IFAM und Uni Bremen war, eine maximale Festigkeit des Materials zu erreichen, da Keramiken brechen können. Mithilfe der Spritzgusstechnik gießen die Forscher Hydroxylapatitpulver in Schragelformen und erhitzen es. Ohne Lufteinflüsse ergeben sich so optimal dichte Bauteile. Gerade für die Serienfertigung ist dieses Verfahren sehr günstig und lässt ein flexibles Design zu. Das Hydroxylapatitpulver kann aber auch im Zusammenhang mit 3D-Druckern eingesetzt werden. So lassen sich patientenspezifische Implantate erstellen.

Sebastian Hein rechnet damit, dass der Schragel bald bei Operationen eingesetzt wird, denn Kalziumphosphat wurde bereits auf seine Biokompatibilität getestet und ist schon seit einigen Jahren als medizinischer Werkstoff in Gebrauch. Hinzu kommt, dass die Ärzte bei Operationen an Schafen die Schragel viel schneller und exakter einhämmern konnten als Standardschrauben. „Ein Effekt, mit dem wir gar nicht gerechnet hatten“, sagt Dr. Hein. Die Operationszeit verkürzt sich dadurch und der Patient muss weniger lang unter Narkose bleiben.