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Verständnis von Materialien verbessert Hüftimplantate

Verständnis von Materialien verbessert Hüftimplantate (Max-Planck-Institut).

Forschungsteam am Max-Planck-Institut für Eisenforschung veröffentlicht neueste Erkenntnisse zur Materialabnutzung in Hüftimplantaten 2015 wurden in den Industrieländern 1,8 Millionen Hüftoperationen durchgeführt. Aufgrund der höheren Lebenserwartung wird die Zahl der Hüftendoprothesen...

Forschungsteam am Max-Planck-Institut für Eisenforschung veröffentlicht neueste Erkenntnisse zur Materialabnutzung in Hüftimplantaten 2015 wurden in den Industrieländern 1,8 Millionen Hüftoperationen durchgeführt. Aufgrund der höheren Lebenserwartung wird die Zahl der Hüftendoprothesen
schätzungsweise auf 2,8 Millionen bis 2050 ansteigen. Am Ende des letzten
Jahrtausends hielten künstliche Hüftprothesen nur etwa 10 Jahre. Seitdem haben
sich Ärzte verstärkt mit Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern
zusammengetan, um länger haltbare Implantate zu bauen, mit dem Ziel,
Revisionsoperationen nach der Implantation zu vermeiden. Die Forscher befassen
sich unter anderem mit der Freisetzung von winzig kleinen Metallpartikeln und
Ionen aus dem Implantat in das umgebende Gewebe, ein Prozess, der durch
kombinierte Mikrobewegungen und Korrosion zwischen den modularen Teilen der
künstlichen Hüfte beschleunigt wird. Um die zugrundeliegenden Mechanismen auf
atomarer Ebene zu identifizieren, analysierten Dr. Michael Herbig, Leiter der
Gruppe "Materialwissenschaft der mechanischen Kontakte" am Max-Planck-Institut
für Eisenforschung (MPIE), und sein Team, Kobalt- und Titanlegierungen, die in
Hüftimplantaten verwendet werden. In Zusammenarbeit mit Prof. Alfons Fischer
und Prof. Markus Wimmer vom Rush University Medical Center in Chicago, USA,
modellierten die Wissenschaftler die Belastungen und die Umgebung des
Hüftgelenks experimentell im Labor. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der
Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlicht.

"Hüftimplantate bestehen oft aus einem kobalthaltigen Gelenkkopf, der auf einem
Schaft aus einer Titanlegierung befestigt ist. Kombinierte Reibung und
Korrosion an der Verbindungsstelle von Kopf und Schaft führen zur Freisetzung
von Metallpartikeln und Ionen in den Körper des Patienten. Das umliegende
Gewebe wird gereizt, was eine Revisionsoperation des Implantats erforderlich
machen kann", erklärt Dr. Shanoob Balachandran, Erstautor der Publikation
zusammen mit seiner Kollegin Dr. Zita Zacharia, beide Postdoktoranden der
Gruppe Mechanische Kontakte.

Der kobalthaltige Hüftkopf, der oft bei Hüftendoprothesen verwendet wird, kann
sich an der Verbindungstelle zum Hüftschaft aus einer Titanlegierung durch
Reibung abbauen. Bei der Messung der Titanlegierung mittels
Atomsondentomographie (rechts) entdeckten die Materialwissenschaftlerinnen und
-wissenschaftler des MPIE, dass verschiedene Oxide, die Bestandteile der
Kobaltlegierung (Kobalt, Chrom) und das Grenzflächenmedium (Chlor) in die
Titanoberfläche eingebracht werden.
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Der kobalthaltige Hüftkopf, der oft bei Hüftendoprothesen verwendet wird, kann
sich an der Verbindungstelle zum ... [mehr]
© S. Balachandran, Z. Zachariah, et al.: Advanced Science 2020, 1903008
Mit Hilfe mehrerer hochauflösender Mikroskopietechniken konnte gezeigt werden,
dass die Reibung zwischen Oberschenkelkopf und –schaft zu einem Relief auf der
Oberfläche der Titanlegierung führt. "Die Unebenheiten ragen aus der
Oberflächen der Titanlegierung heraus und verkratzen die gegenüberliegende
Oberfläche der Kobaltlegierung. Dadurch wird deren natürliche Schutzschicht
verletzt und es kommt zur weiteren Korrosion des Kobaltkopfes. Und dies
wiederum führt zur Freisetzung von Metallionen", erklärt Herbig. "Aber wie kann
dieser Prozess gehemmt werden und wie beeinflussen die in der Gelenkflüssigkeit
vorhandenen Proteine die Auflösung der Legierungen? Dies wäre der nächste
Schritt unserer Forschung, um den Weg für die Entwicklung
tribokorrosionsbeständiger Legierungen für medizinische Anwendungen zu ebnen",
so Zacharia.

1.Shanoob Balachandran, Zita Zachariah, Alfons Fischer, David Mayweg, Marcus A.
Wimmer, Dierk Raabe, and Michael Herbig, "Atomic Scale Origin of Metal Ion
Release from Hip Implant Taper Junctions," Advanced Science , 1903008 (2020).

Quelle: Max-Planck-Institut, 19.03.2020

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erschienen am Mittwoch, 25.03.2020
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