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Mechanobiologisches Kunststoff-Modell – simuliert + getestet = validiert!

Bestehende Implantate für die Wirbelsäule (Spinesafe, Embrach) und Menisken (NuSurf, Active Implants) sowie erste Kunststoff-Prototypen des innosuisse-Projekts „carfhemi“ (Partner: ZHAW, Mathys AG).

Auf einen Blick

Beschreibung

Kunststoffe erleben in der Medizintechnik ein gesteigertes Interesse. Aufgrund Ihrer mechanischen Eigenschaften entsprechen die Kunststoffe eher dem menschlichen Gewebe als metallische Werkstoffe wie Titan oder Cobalt-Chrom. Die sogenannte Mechanobiologie menschlicher Weichgewebe, insbesondere von Knorpel und Bandscheiben, wird so besser reproduziert. Ein bioverträgliches Verhalten von Implantaten für die Schulter oder Knie ermöglicht einen (Teil-)Ersatz der Strukturen, fördert die Lebensdauer von Implantaten und reduziert so die Anzahl von Revisions-Operationen. Im Gegensatz zum heutigen «State of the Art» (Titan und Cobalt-Chrom), sind Kunststoffe aus strukturmechanischer Sicht auf Grund ihres stark nichtlinearen Verhaltens im Zeit- und Verformungsbereich schwieriger charakterisierbar. Die Implantate werden bei Raumtemperatur gelagert und implantiert, allerdings finden sich im menschlichen Körper „Betriebsbedingungen“ von 37°C in feuchter Umgebung, was bei Kunstoffen in der präklinischen Evaluation eine wichtige Rolle spielt. Für die Entwicklung neuartiger Implantate (wie Schulterprothesen oder bewegungserhaltender Wirbelsäulen-Implantate) ist daher eine biomechanische Charakterisierung des Materials von zentraler Bedeutung, um die Verhaltensweisen von Implantat-Konzepten in der Frühphase der Entwicklung mittels aktuellster Verfahren in der Computer-Simulation (FEM) vorhersagen zu können [1]. Das Ziel ist deshalb die Validierung eines Materialmodells für Thermoplastische Elastomere.

Die Medizintechnik-Industrie hat im potenten Marktsegment der Orthopädie grossen Bedarf an Knowhow für die Entwicklung von neuartigen Implantatoberflächen und Hemiprothesen. Im Rahmen des laufenden Projekts (Cartilage Friendly Hemiprosthesis KTI-LS 19298.1) entwickelte die Biomechanik des IMES eine neue Generation von Schulterprothesen [2]. Unter Zuhilfenahme neuer Erkenntnisse der Materialmodellierung kann die präklinische in-vitro Charakterisierung der Implantate verbessert sowie für diverse Firmen zugänglich gemacht werden.