In-vitro-Testsystem für die Abnutzung von Gelenkprothesen

11.10.2018

Verschlissene Hüft-, Knie- oder Schultergelenke werden beim Menschen häufig durch künstliche Gelenke ersetzt. Die Testung dieser sogenannten Endoprothesen erfolgte bislang in Tierversuchen. Um Faktoren wie z.B. die mechanische Abnutzung oder Materialermüdung solcher künstlicher Gelenke oder den Einfluss von Körperflüssigkeiten auf das Material zu untersuchen, werden die Prothesen gesunden Tieren, vor allem Schafen, implantiert und bis zu einem Jahr lang auf diese Weise getestet. Da sich Mensch und Tier hinsichtlich Ihrer Statik und des gesamten Bewegungsapparates drastisch unterscheiden, sind solche „Tiermodelle“ ungeeignet und die experimentellen Befunde nicht auf den Menschen übertragbar. 

Ein Forscherteam bestehend aus Wissenschaftlern der TU Dortmund und der National University of Science and Technology in Moskau hat nun ein Verfahren entwickelt, das einen zuverlässigen In-vitro-Belastungstest für neuentwickelte Gelenkprothesen bzw. Biomaterialien ermöglicht. Weitere Vorteile gegenüber Tierversuchen sind eine deutlich kürzere Versuchsdauer und die Möglichkeit der exakten experimentellen Standardisierung. 

Aufgrund der ständigen Weiterentwicklung von Biomaterialien wie Metall, Keramik oder Polymere für Endoprothesen ist ein zuverlässiges Modellsystem essentiell, um unter streng definierten Versuchsbedingungen aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. 

Bei der neu entwickelten LIT-Verfahren (engl. Load Increased Tests) kommt ein hochentwickeltes servo-hydraulisches System zum Einsatz, mit dem das künstliche Gelenk definiert belastet wird, sowie eine synthetisch hergestellte, auf Körpertemperatur erwärmte Flüssigkeit, die das menschliche Blutplasma simulieren soll - ohne den Einsatz von fetalem Kälberserum (FKS), das an dieser Stelle häufig verwendet wurde. Auf diese Weise wird der Einfluss der physiologischen Umgebung einer Endoprothese auf die Materialabnutzung mitberücksichtigt. Als Testmaterial wurde das Polymer UHMWPE (engl. Ultra-high molecular weight polyethylene) eingesetzt, das sich bei Gelenkprothesen bereits medizinisch bewährt hat. 

Versuchsaufbau des In-vitro-LIT-Systems zur Untersuchung der Abnutzung von Biomaterialien unter Verwendung von SBF. 1: Servo-hydraulisches Testsystem, 2: Peristaltische Pumpe, 3: SBF (simulierte Körperflüssigkeit), 4: Thermostat, 5: Korrosionszelle, 6: Biomaterial-Probe. 

Der Belastungstest des Biomaterials dauert bis zu 8 Tage und umfasst über 110.000 Testzyklen, wobei die Kompressionskraft exakt definiert und stetig erhöht werden kann. Der Zustand des Materials wird hinsichtlich diverser Parameter nach 1, 2, 5 und 8 Tagen mit verschiedenen Analyseverfahren untersucht. 

Die Forscher konnten in Ihrer Studie zeigen, dass die Kombination des servo-hydraulischen Systems und der Flüssigkeit, die das humane Blutplasma simuliert, wichtig ist, um zuverlässige Messergebnisse zur Materialabnutzung zu erhalten. Im Gegensatz zu Tierversuchen stellt diese In-vitro-Methode ein innovatives Testsystem dar, mit dem die Abnutzung von Gelenkprothesen im menschlichen Körper präzise untersucht werden kann.  

Originalartikel:

Scholz R et al.: Development of biomimetic in vitro fatigue assessment for UHMWPE implant materials. J Mech Behav Biomed Mater. 2018; 85: 94–101