Faserverbundwerkstoffe in der Medizintechnik

Deutschland hat sich im Bereich der Medizintechnik eine Weltmarktstellung erarbeitet. Nach einen Branchenbericht der Medizintechnologien 2015[1] liegt Deutschland mit 14,6 Prozent im internationalen Vergleich auf Platz zwei (Stand 2001) bei Patenten und dem Welthandelsanteil von Medizinprodukten, hinter den USA (30,9 Prozent) und vor Japan (5,5 Prozent). Im Jahr 2014 lag der Gesamtumsatz der deutschen Industrie für Medizintechnik bei 25,2 Mrd. EUR, wovon 8,1 Mrd. EUR auf den Inlands- und 17,1 Mrd. EUR auf den Auslandsumsatz entfallen[1]. Das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung (DIW) Berlin[2] beziffert für das Jahr 2004 einen Gesamtumsatz für Medizinprodukte von 14,4 Mrd. EUR.  Auch in der Medizintechnik lässt sich der aktuelle Trend beobachten, konventionelle Materialien durch Leichtbauwerkstoffe zu ersetzen. Zu den möglichen Einsatzfeldern gehören unter anderem zahnmedizinische Produkte mit etwa 15 Prozent des Gesamtumsatzes und Implantate und Prothesen mit 8 Prozent. Diese Produktgruppen stellen jedoch bei Weitem nicht die einzigen Einsatzfelder für Leichtbaumaterialien dar. Mit der Entwicklung innovativer Produkte und Produktlösungen in Faserverbund-Bauweise lässt sich dieser Markt weiter erschließen.

Carbonfaserverstärkte Unterkieferimplantate

Produktgruppen der Medizinprodukte in Deutschland, 2004 in 1000 Euro, nach [2].

Bei der Osteosynthese werden Kontinuitätsdefekte am Knochen überbrückt. Solche Defekte werden etwa durch komplizierte Mehrfachfrakturen oder eine erforderliche operative Entfernung von Knochentumorgewebe hervorgerufen. In diesen Fällen ist zur Wiederherstellung der Funktion und der Ästhetik eine primäre Rekonstruktion erforderlich. Konventionell werden metallische Rekonstruktionsplatten aus Titan oder Edelstahl für die Versorgung eingesetzt. Die Materialsteifigkeit dieser Implantate unterscheidet sich deutlich von der des Knochengewebes, wodurch sich bei Belastung des versorgten Gesamtsystems ein zum intakten Knochen abweichendes Deformationsverhalten und eine Lockerung der Platte ergeben können.

Simulation der Verschiebung eines im vorderen Bereich belasteten Modellkiefers im intakten (links) bzw. im mit CF-PEEK-Tragbandage versorgten Zustand (rechts). (Bildquelle':TUD)

In Zusammenarbeit mit der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus Dresden realisierte das Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden (TUD) eine Tragbandage zur Überbrückung von Knochendefekten am Beispiel des Unterkiefers[3]. Diese Tragbandage besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Polyetheretherketon (CF-PEEK). Die Verwendung von FKV erlaubt hier eine gezielte Einstellung der strukturmechanischen Eigenschaften der Implantate über den Aufbau des Faserverbund-Materials und die Geometrie der Implantatstruktur. Das Matrixmaterial PEEK eignet sich aufgrund der guten Biokompatibilität und der ausgezeichneten Sterilisierbarkeit sehr gut für medizinische Anwendungen. Weiterhin lässt sich durch die Verwendung eines solchen thermoplastischen Ma-trixmaterials die Tragbandage durch Warmumformung an den Unterkieferknochen anpassen. Durch die Entwicklung eines beanspruchungsgerechten und konturgetreuen Implantates in Faserverbund-Bauweise, können die bisher schwer kontrollierbaren Komplikationen metallischer Rekon-struktionsplatten, wie Plattenbruch oder mechanische Schädigung des angrenzenden Weichgewebes minimiert werden.

Zur Untersuchung unterschiedlicher Varianten der Rekonstruktion des Unterkieferknochens wurde aus ethischen Gründen als Modell der Unterkiefer eines Schweines verwendet. Als Referenz diente ein natürlicher Modellkiefer, der zunächst im intakten Zustand untersucht wurde. Anschließend wurde ein ausgewählter Bereich entfernt und der entstandene Defekt durch eine Titan-Platte beziehungsweise eine CF-PEEK-Tragbandage versorgt. Der Entwurf und die Auslegung der Tragbandage erfolgten unter Anwendung einer Finite-Element-Analyse (FEA). Mithilfe eines Computertomographen ließen sich die geometrischen Abmessungen des Unterkieferknochens bestimmen. Zur Validierung der Berechnungsergebnisse wurden die Verschiebungsfelder des intakten Modellkiefers und der unterschiedlichen Rekonstruktionsvarianten experimentell ermittelt. Dies erfolgte mittels eines berührungsfrei arbeitenden optischen Messverfahrens. Die Untersuchungen haben erwartungsgemäß  gezeigt, dass der Modellkiefer mit CF-PEEK-Tragbandage – im Gegensatz zur Versorgung mit Titanplatte – ein ähnliches Deformationsverhalten wie der intakte Modellkiefer aufweist.

Aufgrund der  großflächigen Gestaltung der FKV-Tragstruktur, werden die Beanspruchungen in den Befestigungsbereichen zwischen der dünnwandigen CF-PEEK-Tragbandage und dem Knochengewebe reduziert. Für besonders große Defektüberbrückungen besteht zudem die Möglichkeit der Verwendung eines Stützkernes, wodurch ein Versagen der Bandage durch Beulen ausgeschlossen werden kann. Durch die Verwendung von CF-PEEK-Tragbandagen ergeben sich somit zahlreiche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Titanrekonstruktionsplatten. Eine klinische Anwendung und Umsetzung der Forschungsergebnisse unter Nutzung des entsprechenden Patentes[4] steht aus.

Endodontische Instrumentenspitzen aus GF-PEEK

Kanalmodell mit unterschiedlichen Krümmungsradien zur Untersuchung der statischen Verformbarkeit und beispielhaft eingeführter FKV-Instrumentenspitze. (Bildquelle: TUD)

Bei der Wurzelkanalbehandlung (Endodontie) werden bakteriell infizierte Zahnwurzelkanäle unter anderem durch ultraschallerregte nadelförmige Instrumentenspitzen chemomechanisch gereinigt. Dazu werden neben der mechanischen Abtragung ultraschallinduzierte hydrodynamische Effekte wie etwa Kavitation genutzt. Das ILK erforscht in Zusammenarbeit mit der Poliklinik für Zahnerhaltung mit Bereich Kinderzahnheilkunde der TUD neuartige Instrumentenspitzen in Faserverbund-Bauweise[5].
An die strukturmechanischen Eigenschaften der Spitzen werden dabei sehr hohe Anfordeungen gestellt. Dazu zählt unter anderem eine sehr hohe Verformbarkeit, sodass die Anpassung an die zum Teil sehr stark gekrümmten Zahnwurzelkanäle möglich ist. Weiterhin würde eine zu hohe Materialdämpfung die Reinigungsleistung verringern und somit die Behandlungsdauer erhöhen. Dies bedeutet eine höhere Belastung für Patient und Zahnarzt. Konventionelle Instrumentenspitzen werden aus Nickel-Titan-Legierungen gefertigt. Aufgrund ihrer hohen Verformbarkeit passen sich diese selbst an stark gekrümmte Kanalgeometrien an und weisen gleichzeitig eine hohe Reinigungsleistung auf. Ein Nachteil dieser Materialien besteht jedoch im spontanen Versagen. Die in einem solchen Fall im Wurzelkanal festsitzenden Fragmente können meist nur sehr zeitaufwändig durch Spezialisten entfernt werden oder müssen sogar im Wurzelkanal verbleiben. Der Einsatz von Instrumentenspitzen aus Kunststoff verringert die Gefahr eines derartigen Versagens deutlich. Durch die wesentlich geringeren Steifigkeitseigenschaften und die höhere Material-dämpfung ergibt sich jedoch eine wesentlich geringere Reinigungsleistung.

Das Ziel der Untersuchungen am ILK ist es, einer Instrumentenspitze zur Ultraschallreinigung in Verbundbauweise zu realisieren. Dazu wurden verschiedene metallische und faser-verstärkte Instrumentenspitzen hinsichtlich ihrer strukturdynamischen Eigenschaften verglichen. Einen Untersuchungsschwerpunkt stellte dabei die Verformbarkeit der nadelförmigen Instrumentenspitzen für unterschiedliche Kanalgeometrien dar. Dazu dienten Kanal-modelle aus Metall mit unterschiedlichen Krümmungs-radien und Kanalquerschnitten. Diese Untersuchungen lieferten wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Verformbarkeit der unterschiedlichen Instrumentenspitzen.

Sukzessives Versagen eines GFK-Stabes. (bildquelle: TUD)

Der Vergleich von Berechnungen und Experimenten für unterschiedliche Materialkonfigurationen zeigte, dass sich durch die Verwendung von FKV wesentlich höhere Schwingungsamplituden einstellen, die eine bessere Reinigungsleistung erwarten lassen. Durch das sukzessive Versagen von faserverstärkten Werkstoffen ergibt sich verglichen mit Instrumentenspitzen aus Nickel-Titan-Legierungen ein wesentlich schadenstoleranteres Strukturverhalten.

Im Rahmen der sechsten Nachwuchsakademie der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), konnten Dr. Marie-Theres Weber von der Poliklinik für Zahnerhaltung mit Bereich Kinderzahnheilkunde (ZMK, Leiter Prof. Dr. med. dent. Christian Hannig) des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus und Dr. Martin Dannemann vom ILK ihren Gemeinschaftsantrag „Entwicklung von Miniaturstrukturen aus Faserkunststoff-Verbundwerkstoffen für die ultraschallbasierte Dekontamination von non-shedding surfaces im menschlichen Organismus“ erfolgreich platzieren. Aufbauend auf den bereits durchgeführten Voruntersuchungen sollen im Rahmen dieses von der DFG geförderten Gemeinschaftsprojektes wertvolle Grundlagen zur Auslegung und Fertigung von
FKV-Miniaturstrukturen erarbeitet werden.

Literatur

[1]     BVMed, „Branchenbericht Medizintechnologien 2015,“ 2015.
[2]     Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung Berlin, „DIW Berlin: Politikberatung kompakt 10,“ Berlin, 2006.
[3]     W. Hufenbach, R. Gottwald, J. Markwardt, U. Eckelt, N. Modler und B. Reitemeier, „Berechnung und experimentelle Prüfung einer Implantatstruktur in Faserverbundbauweise für die Überbrückung von Kontinuitätsdefekten des Unterkiefers,“ Biomed Tech, 53, S. 306–313, 2008.
[4]     T. Dresden, „Implantat zur Überbrückung von Kontinuitätsdefekten des Unterkiefers.“. Deutschland Patent 1020005041412A1, März 2007.
[5]     N. Modler, W. A. Hufenbach, S. Gäbler, R. Gottwald, F. Schubert und M. Dannemann, „Endodontic instruments made of fibre-reinforced polymer composites – preliminary FEM and experimental investigation,“ Composites Theory and Practice, 15, S. 95-100, 2015.
[6]     W. Hufenbach, S. Gägler, N. Modler und F. Schubert, „Ultraschallinstrumente in Faserverbundbauweise“. Deutschland Patent DE 10 2010 050 884, 16 Mai 2012

Autoren

Dr.-Ing. Martin Dannemann leitet die Abteilung Funktionsintegration,
Prof. Dr.-Ing. Niels Modler ist Vorstandsmitglied und Inhaber der Professur für funktionsintegrativen Leichtbau,
Dr.-Ing. Robert Gottwald und Michael Kucher arbeiten als wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden.