Reib- und Verschleißverhalten eines mehrphasigen Polyethylen-Verbundwerkstoffes bei Knieendoprothesen

Beschreibung: Erweiterte klinische Indikationsstellung und Ausweitung des Patientenguts auf zunehmend jüngere Patienten haben in den letzten Jahrenzu einer stetigen Zunahme der operativen Eingriffe mit dem Ziel des totalen Knieersatzes geführt. Die Überlebenswahrscheinlichkeit dieser Implantate istjedoch mit zehn bis fünfzehn Jahren nicht ausreichend. Verschleiss und Osteolyse durch Verschleisspartikel stellen mit über 70 % den Hauptgrund fürRevisionseingriffe dar.

Infolge anatomischer Restriktionen bei der Gestaltwahl der Prothesen stellt die werkstofftechnische Optimierung einen reizvollen Ansatz für dieLebensdauerverbesserung dar. Hierbei konzentrieren sich die Bemühungen insbesondere auf das polymere tibiale Plateau, welches den volumetrischgrössten Verschleiss aufweist.

In diesem Projekt des Arbeitsbereichs Biomechanik wird ein mehrphasiger Polyethylenwerkstoff (PE) auf seine Eignung als tibiale Komponente hinuntersucht. Untersucht wird ein eigenfaserverstärkter Kunststoff (Faser: UHMWPE, Matrix:HDPE) mit unidirektional ausgerichteter Faserverstärkung.Die Untersuchung wird einerseits durch numerische Analyse der makro- und mikromechanischen Spannungsverteilungen anahnd des originalen Bauteilswie auch durch Verschleissprüfung an Werkstoffproben nach dem Prinzip Pin-on-Flat, Sphere-on-Flat und Wheel-on-Flat durchgeführt.

Bis zu diesem Zeitpunkt gewonnene Ergebnisse zeigen, dass die in der Literatur beschriebene überlegene Verschleissfestigkeit faserverstärkterKunststoffe gegenüber ihren unverstärkten Pendants nicht ohne weiteres auf die Anwendung in Knieprothesen übertragbar ist. Durch die Ausbildunghoher Spannungen im Kontaktbereich der Reibpartner tendiert der mehrphasige Werkstoff zu einem Versagen in der mikromechnischen Interaktion vonFaser und Matrix. Diese Ergebnisse werden sowohl durch die numerische als auch durch die experimentelle Untersuchung gestützt.

Im weiteren Verlauf des Projekts ist daher erstes Ziel, die erkannten Schwachstellen des Verbundwerkstoffes durch Weiterentwicklung derFertigungstechnik zu beseitigen und durch eine geeignete Auslegung des mehrphasigen PE-Werkstoffs und Hinzunahme der Möglichkeit einerGradierung eine werkstoffgerechte Konstruktion des tibialen Plateaus vorzunehmen.

• 5-10.002V
  Birken,L., Morlock,M., Schnmeider,E.(1999) Belastungsgerechte Prüfung faserverstärkter Kunststoffe für die Knieendoprothetik, Deutscher Orthopädenkongreß 1999 Zeitschrift für Orthopädie und ihre Grenzgebiete, Supplement Band 137, Sept./Okt. 1999, Seite A26.
• 5-10.003V
  Birken,L., Poeppel,A., Morlock,M., Schulte,K., Schneider,E.(1999) PE-E-Composite as tibial bearing partner in total knee replacement, Society for Biomaterials 25th Annual Meeting, p. 519
• 5-10.004V
  Birken,L., Berzins,A., von Lacroix,F., Schneider,E.(1998) Entwicklung einer Methode zur tribologischen Beurteilung faserverstärkter Kunststoffe für den endoprothetischen Einsatz im Kniegelenk, in: Mechanische Eigenschaften von Implantatwerkstoffen, Tagungsband der 1. Tagung des DVM-Arbeitskreises Biowerkstoffe, S.95-102
• 5-10.004aV
  Birken,L., Berzins,A., von Lacroix,F., Schneider,E. (1998) Composites as bearing partners in total knee replacement. Failure analysis of Poly-II-components with respect to the material design, J.of Biomechanics, Vol. 31, Suppl. 1, S. 48
• 5-10.177V
  Wimmer,M., Birken,L., Schimansky,T., Morlock,M. Andriacchi,T.P., Schneider,E. (1998) Simulated wear of the tibial components by tractive rolling. 8th Annual Meeting of the European Orthopaedic Research Society, Amsterdam, p. O15