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Zweischichtiges Implantatmaterial soll Knieendoprothesen optimieren

17.08.1999 - (idw) Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Holste-Stiftung fördert
erstes Forschungsprojekt

Dr.-Ing. Egbert Schopphoff und Dr.med. Dieter Christian Wirtz sind die ersten Wissenschaftler der RWTH Aachen, die mit Geldern der Holste-Stiftung ein Forschungsprojekt realisieren können. Die beiden Wissenschaftler suchen mit ihrem interdisziplinären Ansatz nach Möglichkeiten, den Werkstoff Polyethylen, der in Knieendoprothesen eingesetzt wird, zu modifizieren und damit eine Verbesserung der Endoprothesenchirurgie zu ermöglichen. Sie verknüpfen dabei die Bereiche Medizin und Maschinenwesen: Dr. Schopphoff vom Institut für Allgemeine Mechanik unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Weichert ist verantwortlich für Fragen rund um den Werkstoff, Dr. Wirtz, Wissenschaftlicher Assistent der Orthopädischen Klinik unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr.med. Fritz Uwe Niethard, ist zuständig für die medizinischen Aspekte. Die Holste-Stiftung unterstützt dieses Forschungsprojekt mit 45.000,- Mark.

Aus Verbundenheit zur RWTH
eine Stiftung gegründet

Die Holste-Stiftung wurde im Dezember 1997 von Prof. Dr.-Ing. Werner Holste und seiner Ehefrau Gertraude mit einem Anfangsvermögen von 500.000 Mark eingerichtet und mittlerweile auf eine Millionen Mark erhöht. Prof. Holste studierte, promovierte und habilitierte an der RWTH Aachen. Als außerplanmäßiger Professor hat er 35 Jahre in Vorlesungen zu den Auswirkungen der Gesetzgebung auf die Auslegung von Kraftfahrzeugen sein Wissen an Studierende weitergegeben. Der Höhepunkt seiner industriellen Karriere war die Vorstandstätigkeit bei Volkswagen, wo er für Forschung und Entwicklung am Golf I verantwortlich war. Über zehn Jahre leitete er die Technische Akademie Wuppertal, ein Außen-Institut der Hochschule. "Ich habe der Aachener Hochschule sehr viel zu verdanken, die Ausbildung dort hat mir diese Karriere ermöglicht. Aus Dankbarkeit und Verbundenheit möchte ich daher heute junge Wissenschaftler der RWTH Aachen fördern", begründet Prof. Holste seine Stiftung.
Prof. Holste studierte Maschinenbau, doch die Medizin hat ihn schon damals interessiert. Mit den Geldern seiner Stiftung können daher nicht nur Forschungsprojekte auf den Gebieten des Maschinenbauwesens, sondern auch der Medizin und der Elektrotechnik, die in beiden Bereichen eine wesentliche Bedeutung hat, finanziert werden.


Probleme beim
künstlichen Gelenkersatz

Die Implantation eines künstlichen Kniegelenks ist heute ein Standardeingriff in der orthopädischen Chirurgie, da jährlich 50.000 Knieendoprothesen implantiert werden. Allerdings müssen 15 bis 20 Prozent der Knieendoprothesen schon innerhalb der ersten zehn Jahre aufgrund von Prothesenlockerungen gewechselt werden. Der Endoprothesenwechsel und eine Wiederverankerung der Im-plantate stellt an die Mediziner höchste Ansprüche und bedeutet für die Pati-enten eine weitere Operation und entsprechende Belastungen, von den Kosten für das Gesundheitswesen ganz zu schweigen. Gleich drei Gründen für die beiden Aachener Wissenschaftler, eine Verbesserung zu erforschen.
Die Ursachen für die Lockerungen der Knieendoprothesen liegen im Verschleiß des Werkstoffs Polyethylen. Zu seinen Eigenschaften gehören eine geringe Härte und Zugfestigkeit, ein geringes Elastizitätsmodul sowie ein hohes Maß an Kaltfluß unter dynamischer Wechsellastbeanspruchung. Diese Eigenschaften sind für die sogenannte Abriebkrankheit verantwortlich. Implantate, die ausschließlich aus Keramik oder Metall bestehen, wie sie bereits in anderen Berei-chen eingesetzt werden, können aufgrund der spezifischen Belastungen im Kniebereich nicht verwendet werden. Standard sind daher sogenannte Gleit- beziehungsweise Oberflächenersatzprothesen, die im Bereich des Oberschenkels aus Metall, für den Schienbeinbereich aus einem metallunterstütztem Polyethylenstück zusammengesetzt sind. Die Wissenschaftler suchen nun nach einer Möglichkeit, das Polyethylen den Anforderungen des Körpers entsprechend zu modifizieren.

Zwei Schichten sollen
Optimierung ermöglichen

Grundlage der Forschung ist das Benninghoff´sche Knorpelmodell, das den Gelenkknorpel in Zonen einteilt. Diese Matrix-Struktur bestimmt entscheidend die Belastbarkeit. Die Zone 1 ermöglicht beispielsweise die Zugfestigkeit, die Zonen 2 und 3 bedingen die hohe Druckfestigkeit. Dr. Schopphoff und Dr. Wirtz beabsichtigen daher, den Implantatwerkstoff Polyethylen aus zwei Schichten aufzubauen. Die oberste Schicht muß eine knorpelähnliche Zugfestigkeit und die untere eine entsprechend hohe Druckfestigkeit gewährleisten. Erreicht werden soll dies durch zwei werkstoffwissenschaftliche Verfahren: Erstens durch das Verstrecken der Polyethylenpolymere und zweitens durch die Erhöhung des Kristallisationsgrades. Erste Versuche mit Probeplatten, die zunächst erwärmt und anschließend in eine Zugprüfmaschine zur Verstreckung in Längsrichtung eingespannt wurden, zeigen in einem eigens konstruierten Prüfstand eine deutliche Abriebsminimierung gegenüber nicht verstreckten Probeplatten. Dr.-Ing. Egbert Schopphoff und Dr.med. Dieter Christian Wirtz sind zuversichtlich, nach Ablauf eines Jahres erfolgversprechende Forschungsergebnisse präsentieren zu können.

Weitere Informationen erhalten Sie bei Dr.-Ing. Egbert Schopphoff, Institut für Allgemeine Mechanik, unter der Telefon-Nummer 0241/804602, per Fax unter 0241/8888- 231 oder per E-Mail: schopphoff@iam.rwth-aachen.de.

Angelika Hamacher
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