Ziel der Entwicklung
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines reproduzierbaren und prozesssicheren Verfahrens zur abrieb- und verschleißreduzierenden Lasermikrobearbeitung artikulierender Oberflächen in Hüftendoprothesen. Im Rahmen des Projektes wurde eine 7-Achs-Lasermikrobearbeitungsanlage auf Basis eines Hochleistungs-Pikosekundenlasers verwendet, um kleinste Vertiefungen in die artikulierenden Oberflächen einzubringen und damit die tribologischen Eigenschaften des Gesamtsystems zu steuern. Die Mikrostrukturen ermöglichen dabei einerseits das Auffangen der den Dreikörperverschleiß verursachenden Abriebpartikel und andererseits eine Vergrößerung des tribologisch wertvollen Schmierfilms, da die Vertiefungen gleichzeitig als Reservoirs für die körpereigene Synovialflüssigkeit dienen. Durch das Zusammenwirken beider Prozesse konnte die Menge der Abriebpartikel und damit das Risiko für eine aseptische Lockerung erheblich reduziert werden, was gleichbedeutend ist mit einer Standzeiterhöhung des gesamten Implantatsystems.
Die zunächst mittels numerischer Simulation im Hinblick auf Tribologie und Rheologie optimierten Strukturen konnten im Verlauf des Projektes experimentell hinsichtlich ihrer vorteilhaften Eigenschaften validiert werden. Es ergab sich dabei, dass die Geometrie und Größe der Mikrostrukturierungen signifikanten Einfluss auf die Höhe der Verschleißreduzierung hat. So zeigten spezielle Gitternetzstrukturen im Vergleich zu beispielsweise punktförmigen Strukturen oder versetzen Linien die besten Eigenschaften. Die im Rahmen des Projektes untersuchten Strukturmuster führten in experimentellen Ring-on-Disc-Abriebversuchen zu Verschleißreduzierungen von bis zu 65 %. Die anschließende Übertragung der Ergebnisse auf reale Bauteile für Verschleißuntersuchungen im 3D-Hüftsimulator erfolgte planmäßig und zeigte qualitativ eine deutliche Reduzierung von Kratzern und Abplatzungen, wodurch der ursprüngliche Ansatz zur Verschleißreduzierung bestätigt werden konnte.
Vorteile und Lösungen
Die bereits in der numerischen Simulation bestimmten, tribologisch und rheologisch vorteilhaften Effekte konnten im weiteren Verlauf des Projektes experimentell mit tribologischen sowie rheologischen Versuchen bestätigt werden. Es ergab sich zudem, dass die Form der Mikrostrukturierung signifikant zu einer Verschleißreduzierung beiträgt. Die Gitternetzstrukturen erwiesen sich dabei im Vergleich zu den Dimple- und versetzen Strukturen als am vorteilhaftesten. Die im Rahmen des Projektes untersuchten Strukturmuster führten in experimentellen Ring-on-Disc-Abriebversuchen zu Verschleißreduzierungen von bis zu 65 %. Die Übertragung der quantitativen Ergebnisse auf Verschleißuntersuchungen im Hüftsimulator erwies sich jedoch aufgrund von Messungenauigkeiten als problematisch. Hier konnte allerdings qualitativ eine deutliche Reduzierung von Kratzern und Abplatzungen durch die Mikrostrukturen erkannt werden.
Die zusätzlich durchgeführten, numerischen und experimentellen Untersuchungen zur Bestimmung des Einflusses der Mikrostrukturen auf die bruchmechanische Sicherheit spröder Endoprothesenkomponenten ließen zudem auf einen unkritischen Einfluss schließen.
Das Projekt hat Ansätze aufgezeigt, um die abriebpartikelinduzierte aseptische Implantatlockerung deutlich zu verringern und gleichzeitig die Standzeit von Endoprothesen zu erhöhen. Im Hinblick auf die stetig wachsende Lebenserwartung und die immer jünger werdenden Patienten sind die Ergebnisse des Projektes auch aus ökonomischer und volkswirtschaftlicher Sicht sehr von Vorteil. Infolge des Projektes sind weitere, vertiefende Untersuchungen geplant, um zum Beispiel die Verschleißreduzierung messbarer zu gestalten. So sind weitere Verschleißsimulationen im Hüftsimulator mit metallischen Hart-Hart-Komponenten geplant, bei welchen der Abrieb deutlich höher anzunehmen ist.
Zielgruppe und Zielmarkt
Grob zusammengefasst existieren weltweit etwa zehn große Hüftendoprothesenhersteller, welche etwa 94% des Marktes abdecken. Hinzu kommen etwa um die 200 Vertriebsfirmen. Da es sich um eine Oberflächenbearbeitung bereits zugelassener und in den Markt eingeführter Produkte handelt, können Hersteller als auch Oberflächendienstleister als potenzielle Kunden betrachtet werden.
Die in dem Projekt adressierten Bereiche von kundenspezifischen Aufgabenstellungen, speziell für den Bereich der Endoprothetik, sind weiterhin hoch aktuell. Die im Rahmen des Vorhabens erzielten Ergebnisse konnten dabei bereits mehrere Unternehmen von der technischen Umsetzbarkeit überzeugen, sodass derzeit planende Gespräche mit verschiedenen Herstellern, Dienstleistern sowie Betreibern klinischer Studien durchgeführt werden.
