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SENDETERMIN Do, 16.4.2015 | 22:00 Uhr | SWR Fernsehen

Materialcheck Prothesen auf dem Prüfstand

Nicht alles was als Innovation daher kommt bewährt sich in der Praxis. Im biomechanischen Labors der Uniklinik Heidelberg werden Prothesen auf ihre Schwachstellen getestet.

Die weiße Gummimembran verwehrt den Blick auf das künstliche Gelenk in der Testapparatur. Doch das rhythmische Auf und Ab der Installation lässt erahnen, dass eine Laufbewegung mit einem künstlichen Gelenk simuliert wird. Wenn der Leiter des biomechanischen Labors, Dr. Jan Phillipe Kretzer den Aufbau erläutert, wird auch der Sinn der Gummimembran klar.

„Wenn wir einfach laufen sind das viele verschiedene Bewegungen gleichzeitig. Und das versuchen wir genauso in einer Maschine nachzustellen. Indem wir die mechanischen Abläufe nachbilden. Aber auch die Randbedingungen. Da ist eine Testflüssigkeit in der Maschine, die die Gelenkflüssigkeit darstellen soll. Und so versuchen wir das, was später im Patienten stattfinden wird, vorher in einer Maschine, in einem Prüfaufbau zu simulieren, nachzustellen.“

Etwa 1,5 Millionen Gehbewegungen hat die Prothese in dieser Installation schon absolviert, jetzt entnimmt der Biomechaniker Kretzer an einem kleinen Ventil in der Gummimembran die künstliche Gelenkflüssigkeit. Denn in der Flüssigkeit schwimmt der Abrieb, der durch die dauernde Belastung im Gelenk entsteht. Abrieb begrenzt nicht nur die Haltbarkeit der Prothese. Die winzigen Teilchen können auch unerwünschte Nebenwirkungen haben.

Nach der Filterung der Flüssigkeit werden die Partikel unter dem Elektronenmikroskop sichtbar. Der Heidelberger Wissenschaftler, der sein Labor passender Weise in der orthopädischen Klinik betreibt, interessiert sich für die Zahl und für die Größenverteilung der Metallteilchen. Besonders viele haben einen Durchmesser von 20 bis 40 Nanometer. Unvorstellbar klein. Unvorstellbar groß dagegen die Zahl der Partikel, die bei jedem Schritt freigesetzt werden: „Bei so einem Gelenk – bei einer Metall-Metall-Gleitpaarung – werden pro Schritt, den ein Patient macht, etwa fünf Millionen bis zehn Millionen Partikel freigesetzt,“ erklärt Kretzer.

Probleme durch Abrieb bei Metallprothesen

Jan Phillipe Kretzer hat das Forschungslabor aufgebaut, hier wird akademische Forschung betrieben, aber auch im Auftrag der Industrie gearbeitet. Der Biomechaniker bekommt oft Fälle aus der Praxis, in denen Probleme aufgetreten sind. Auf einem Röntgenbild zeigt er, was die Metallpartikel im Knochengewebe anrichten können. Unter dem Gelenk klafft ein dunkles Loch. Hier hat sich der Knochen zurückgebildet. Die Metallpartikel können den ständigen Umbauprozess des Knochens so stören, dass der Knochen schrumpft und die Prothese sich lockert.

Jan Phillipe Kretzer hält eine Gelenkprothese in der Hand, die deutliche Verschleißerscheinungen zeigt. Auf dem zugehörigen Röntgenbild ist erkennbar, dass der Chirurg die Pfanne zu steil in den Hüftknochen eingesetzt hatte. Dadurch lief der Gelenkkopf nicht stabil in der Pfanne, sondern rutschte am Rand entlang und erzeugte extrem viel Abrieb. Die Metallpartikel führten zu schweren Entzündungen im Gewebe und zu Vergiftungen. Im biomechanischen Labor kann der Verschleiß an den Prothesen auf wenige Tausendstel Millimeter genau vermessen werden. Dazu tastet eine Messsonde die Prothese an über Tausend Punkten automatisch ab. Diese Informationen können dazu beitragen, dass in Zukunft bessere Prothesen entwickelt werden.

Als besonders problematisch hat sich die sogenannte Großkopf-Kappenprothese erwiesen, bei der Kopf und Pfanne aus Metall sind. Mit anderen Materialpaarungen – etwa Keramik auf Kunststoff – lässt sich der Metallabrieb vermeiden. Aber es war nicht nur der Abrieb. Diese Kappenprothese war theoretisch Spitzentechnik. Doch in der Praxis hat sie häufig versagt, sagt Kretzer: „Man hat zum Beispiel den Spalt zwischen Kopf und Pfanne immer kleiner gemacht. Man hat so ein bisschen vergessen, dass diese Prothese ja auch implantiert werden muss und man beim Implantieren zum Beispiel die Pfanne auch ein bisschen verformen kann. Und somit ist diese Prothesen sehr sensibel dafür geworden, ganz exakt implantiert zu werden. Und da kommt dann der Operateur ins Spiel, der das nicht in allen Situationen gewährleisten kann.“

Ein wichtiges Thema im biomechanischen Labor in Heidelberg ist auch die Dauerfestigkeit der Gelenk-Prothesen. Schon beim normalen Gehen stößt das Zwei- bis Dreifache des Körpergewichts auf das Gelenk. Diese Stöße muss die Prothese viele Millionen mal aushalten. Mitunter quält Jan Phillipe Kretzer die Prothesen in seiner Maschine wochenlang. Auch vermeintliche Spitzenprodukte offenbaren hier ihre Schwächen. Wie die „Multi-Modulare Prothese“. Ihr Clou: mit dem speziellen Adapter kann der Gelenkkopf noch justiert werden, wenn der Schaft schon im Knochen implantiert ist. In der Theorie eine tolle Idee, sagt Kretzer. Allerdings…
„Leider hat sich dann dieser Adapter als das Problem erwiesen. Denn an der Stelle ist es zu Korrosionsprozessen gekommen, die dazu geführt haben, dass ganz viele von diesen Prothesen letztendlich abgebrochen sind. Das heißt, es ist hier ein Risiko in diese Prothese mit eingeführt worden, das man am Anfang nicht richtig bedacht hat. Und am Ende sind viele dieser Prothesen bei Patienten gebrochen.“

Entscheidend: die Qualität der Chirurgie

Die häufigste Ursache von Problemen sind aber nicht die Prothesen, sondern Fehler beim ihrem Einbau. So muss der Schaft für den Gelenkkopf geometrisch exakt im Knochen stecken. Die Pfanne muss im richtigen Winkel und mit der richtigen Kraft montiert werden. Nur dann läuft das Gelenk rund und ist dauerhaft belastbar.

Eine wichtige Rolle beim Thema Haltbarkeit, spielt allerdings auch der Patient, denn er ist verantwortlich dafür, wie sehr die Prothese belastet wird: „Wenn man mal das Beispiel Fußballspielen nimmt, dann entsteht im Hüftgelenk die sieben bis achtfache Belastung des Körpergewichts. Wenn also jemand 100 Kilo wiegt und Fußball spielt, sind das mal schnell sieben- achthundert Kilogramm, die immer auf die Prothese wirken. Wir wollen nicht sagen, dass Sport nicht gut ist. Aber diese extremen Stoß-Belastungen sind vielleicht grenzwertig. Aber auch Übergewicht: je schwerer ein Patient ist, desto stärker wird die Prothese belastet.“

Seit 50 Jahren werden in Deutschland künstliche Hüftgelenke implantiert. 200.000 sind es heute jedes Jahr. Raffinierte High-Tech ist in den letzten Jahren mehrfach gescheitert. Einfachere und robuste Typen haben sich etabliert, erklärt der Heidelberger Biomechaniker: „Wir haben ja gesehen, dass die Metall-Metall-Gleitpaarung in einigen Fällen riskant ist. Sowas wird heute eigentlich gar nicht mehr implantiert. Was bleibt sind zwei recht etablierte Materialien, die es beide auch schon seit einiger Zeit gibt: Auf der einen Seite eine Pfanne aus Kunststoff – man nennt es Polyethylen, das gegen einen Metallkopf oder einen Keramikkopf artikuliert oder läuft. Oder das man keramische Werkstoffe einsetzt und auf beiden Gelenkpartnern eine Keramik verwendet.“

Künstliche Hüftgelenke verbessern die Lebensqualität von Millionen Menschen im Alter. Das Heidelberger Labor kann dazu beitragen, dass Probleme mit den Prothesen in Zukunft noch seltener auftreten.

aus der Sendung vom

Do, 16.4.2015 | 22:00 Uhr

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