Reibung wie geschmiert

  • 28. December 2011

Karbonschicht erklärt, wie sich ein Hüftgelenkersatz aus Metall verhält.

Bei Hüftimplantaten können Metallteile selbst unter reibungsarmen Bedingungen aneinander entlang gleiten. Wissenschaftler aus den USA und Deutschland haben jetzt herausgefunden, dass eine kohlenstoffreiche Schicht auf der Metalloberfläche die Vorrichtung auf eine Weise schmiert, die der Wirkung von Öl in einem Fahrzeugmotor recht ähnlich ist.

Abb.: Röntgenaufnahme der Hüftregion mit einem eingeblendeten Metall-auf-Metall-Implantat und einer Grafik des Graphitmaterial auf dessen Oberfläche. Die roten Kugeln stellen Kohlenstoffatome in einer Einzellage Graphit dar. (Bild: Science / AAAS)

Abb.: Röntgenaufnahme der Hüftregion mit einem eingeblendeten Metall-auf-Metall-Implantat und einer Grafik des Graphitmaterials auf dessen Oberfläche. Die roten Kugeln stellen Kohlenstoffatome in einer Einzellage Graphit dar. (Bild: Science / AAAS)

Diese Entdeckung öffnet die Tür zu neuen Strategien für verbesserte Hüft-Metallimplantate. In den Industrieländern unterziehen sich jährlich etwa eine halbe Million Menschen einer Hüftersatz-Operation, in der Regel infolge von Komplikationen in Verbindung mit Arthritis. Wie die Forscher in ihrer Studie vermerken, verzeichnet Deutschland die höchste Zahl an Hüftersatz-Eingriffen pro Kopf, während in den USA insgesamt die meisten Operationen dieser Art stattfinden.

Im Idealfall hält ein Hüftimplantat ein ganzes Leben lang. Bei Metall-Polymer-Implantaten kommt es jedoch zu Verschlechterungen der Metallqualität, die wiederum das Entstehen von Abrieb begünstigen. Dadurch können Entzündungen entstehen und das Implantat in seiner Funktion beeinträchtigt werden. Forscher vermuten, dass Proteine in der das Implantat umgebenden Gelenkflüssigkeit einen Schmiereffekt hervorrufen, wie er in ähnlicher Weise auch bei natürlichen Hüftgelenken auftritt.

Man weiß jedoch nur sehr wenig über den Bereich, in der sich die zwei Metalloberflächen gegeneinander verschieben. Yifeng Liao von der Northwestern University und Kollegen von der Universität Duisburg-Essen und dem Rush University Medical Center verglichen Gelenkflüssigkeitsproben von Patienten mit entsprechenden Proben von Kälbern. Mithilfe der Doppelstrahl-Rasterelektronenmikroskopie erkannten sie eine dicke Karbonschicht auf den Metalloberflächen der Implantate.

Das Team stellte fest, dass die Karbonschicht nicht nur die Reibung vermindert, sondern auch Verschleiß und Korrosion reduziert. Besonders überraschend ist es, dass diese Schicht keinen signifikanten Proteinanteil enthält. Die Ergebnisse könnten einen neuen Weg für Verbesserungen beim Design von Implantaten aufzeigen.

AAAS / PH

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