De gjutna halvskalen för återuppbyggnad av proteser är strukturerade på ena sidan för att förbättra bencellsvidhäftningen. Kredit:Den andra sidan är helt slät. Fraunhofer IKTS
Höftförnyelseprotesen som för närvarande används vid operationer är gjord av en legering som består av kobolt, krom och molybden. Men denna metall tolereras inte väl av alla patienter, av vilka några utvecklar allergiska reaktioner eller infektioner. I vissa fall, protesen kan till och med behöva tas bort. Genom projektet Ceramic Bonepreserver, Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS har utvecklat en ny keramisk ytbeläggningsprotes bestående av lårbenshatt och monoblock acetabulum, som har en högre biokompatibilitet – och ändå är lika stabila och starka som sina metallmotsvarigheter.
Höftledsoperationer är ett av de vanligaste ingreppen på tyska sjukhus. Faktiskt, enligt Tysklands federala statistikkontor, cirka 220, 000 konstgjorda höftleder implanteras varje år, i allmänhet på grund av olyckor och slitage som vanligtvis upplevs av äldre människor.
En legering som består av kobolt, krom och molybden är ett av de vanligaste materialen som används. Dock, metallnötning leder ofta till problem som det fruktade tillståndet metallos, med patienten som slutligen lider av irritation, allergiska reaktioner, infektioner eller till och med pseudotumorer. Metalljoner kan också detekteras i blod och vävnad. Om det värsta kommer till värsta, patienten kan behöva genomgå ytterligare en operation och få protesen borttagen.
En innovativ ytbehandlingsprotes baserad på keramik är mycket mer biokompatibel, eftersom keramik inte orsakar några allergiska reaktioner eller infektioner. Protesen utvecklades av Fraunhofer IKTS som en del av det gemensamma projektet Ceramic Bonepreserver, ett samarbete med medicintekniska tillverkaren Mathys Orthopädie GmbH.
Benbevarande rekonstruktion för bättre biokompatibilitet
Förutom hög biokompatibilitet, den metallfria ytbeläggningsprotesen erbjuder också ytterligare fördelar. "Den keramiska ytbehandlingsprotesen möjliggör benbevarande endoprotetisk rekonstruktion av höftleden, " förklarar projektledare Martina Johannes på Fraunhofer IKTS på Hermsdorf-platsen.
Denna innovativa ytåteruppbyggnadsprotes är en kombination av lårbenshatt och monobloc acetabulum. Under operationen, lårbenslocket implanteras i lårbenet, och dess motsvarighet, acetabulum, förankrad i höftbenet. Ytorna som i slutändan kommer att omslutas av ben är strukturerade för att förbättra bencellsvidhäftningen. I kontrast, kontaktytan för den konstgjorda leden mellan acetabulum och kulelementet på lårbenshatten är helt slät för att möjliggöra enkel och sömlös rörelse av benet.
Strukturen av en ATZ dispersionskeramik under mikroskopet. Jämn partikelfördelning är avgörande för protesens kvalitetsegenskaper såsom styrka och hållbarhet. Kredit:Fraunhofer IKTS
Tillverkning av ATZ-keramik med kornstorlekar i nanometerområdet
Fraunhofer IKTS har många års erfarenhet av produktion och bearbetning av keramiska material, inklusive formningsprocessen som används inom medicinteknik, där kraven på precision och tillförlitlighet är särskilt höga. Martina Johannes team har ytterligare optimerat processstegen för projektet Ceramic Bonepreserver. I det första steget, de anskaffade keramiska materialen - aluminiumoxid och zirkoniumdioxid - är fint dispergerade. Med detta som grund, forskarna skapar en ultraren suspension. "Partiklarna måste vara jämnt fördelade i suspensionen för att säkerställa kvaliteten på slutprodukten, som måste vara helt fri från porer, föroreningar eller andra defekter. Medicinska implantat måste vara fria från några brister, säger Johannes.
Acetabulum bildas sedan med slipgjutningsprocessen, en metod som är vanlig inom traditionell porslinstillverkning och som vidareutvecklats på Fraunhofer IKTS. Produkterna uppnår sina slutliga egenskaper under sintringsprocessen, vilket är det sista steget. "Med sintrad aluminiumoxidhärdad zirkoniumoxid (ATZ) dispersionskeramik, vi uppnår en struktur med en kornstorlek mellan 310 och 320 nanometer, säger Johannes. Som jämförelse, den mycket fina kaffesumpen som används för espresso har en kornstorlek på 250 mikrometer, som är cirka 1000 gånger större.
Martina Johannes arbetsgrupp är certifierad enligt EN ISO13485-standarden för produktion och utveckling av medicinskt tekniska material och komponenter och genomgår därför stränga tester av regelbundet.
Exceptionell styrka och långvarig stabilitet
Hur är det med styrkan och stabiliteten hos de keramiska implantaten? Fraunhofer-forskare har genomfört en rad tester för att fastställa hur robust och stabilt materialet är. "Böjning, tryck- och belastningstester har visat att de keramiska proteserna är minst lika stabila och robusta som en produkt av metall. Resultatet är ytbeläggningsproteser som visar längre användbarhet och tolereras väl av människor, säger Johannes.
Det gemensamma projektet Ceramic Bonepreserver slutfördes i september 2020 och stöddes av den tyska delstaten Thüringen med 800, 000 euro. Projektet kommer i precis rätt tid:hälsoexperter förutspår att, när medellivslängden ökar, så, för, kommer antalet höftledsoperationer, eftersom en majoritet av operationerna görs på åldersgruppen 70 till 80-åringar. Keramiska höftledsproteser går långt för att säkerställa att operationer och den efterföljande läkningsprocessen i stort sett är smärtfri och utan komplikationer.
