Materialforschung verbessert Hüftimplantate

Insgesamt 1,8 Millionen Hüftoperationen wurden 2015 in den Industrie­ländern durchgeführt. Aufgrund der höheren Lebens­erwartung wird die Zahl der Hüft­endo­prothesen schätzungs­weise auf 2,8 Millionen bis 2050 ansteigen. Ende des letzten Jahr­tausends hielten künst­liche Hüft­prothesen nur etwa zehn Jahre. Seitdem haben sich Mediziner verstärkt mit Material­wissen­schaftlern zusammen­getan, um länger haltbare Implantate zu produzieren. Das Ziel: Revisions­operationen nach der Implantation 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 Michael Herbig vom MPI für Eisen­forschung und sein Team Kobalt- und Titan­legierungen, die in Hüft­implantaten verwendet werden. In Zusammen­arbeit mit Alfons Fischer und Markus Wimmer vom Rush University Medical Center in den USA modellierten die Wissen­schaftler die Belastungen und die Umgebung des Hüft­gelenks experi­mentell im Labor.

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.

Mit Hilfe hochauflösender Mikroskopie­techniken konnten die Forscher zeigen, 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 das 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? Die Beantwortung dieser Fragen wäre, so die Wissen­schaftler, der nächste Schritt, um den Weg für die Entwicklung tribo­korrosions­beständiger Legierungen für medizinische Anwendungen zu ebnen.

MPIE / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Balachandran et al.: Atomic scale origin of metal ion release from hip implant taper junctions, Adv. Sci.  7, 1903008 (2020); DOI: 10.1002/advs.201903008
• Materialwissenschaft der mechanischen Kontakte (M Herbig), Abt. Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign, Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf