Einladung für Knochenwachstum - Vakuumplasmaspritzen schafft offenporige Stabilität

Einladung für Knochenwachstum - Vakuumplasmaspritzen schafft offenporige Stabilität

Viele künstliche Gelenke werden ohne Hilfsmittel direkt im Knochen verankert. Offenporige Strukturen an ihren Oberflächen erlauben einen festen Einwuchs. Durch Vakuumplasmaspritzen erhalten diese die gewünschte Geometrie und Stabilität.
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Der menschliche Knochen befindet sich in einem ständigen Umbauprozess. Unablässig nagen Fresszellen an ihm herum, zugleich produziert der Körper mit den Osteoblasten Zellen, aus denen sich neuer Knochen bildet. Deshalb wächst ein gebrochener Knochen relativ schnell wieder zusammen. Derselbe Mechanismus macht es möglich, künstliche Gelenke direkt im Knochen, ohne sogenannten Knochenzement zu verankern.

Unverbrüchliche Verbindung

Während beim Verheilen eines Bruchs Knochen auf Knochen trifft, kommt hier allerdings mit dem Implantat ein metallener Fremdkörper ins Spiel. Damit er einwachsen kann, muss er den Trabekeln eine gute Anwuchsfläche bieten. So heißen die kleinen Knochenbälkchen, die im Innern des Knochens eine dreidimensionale Gitterstruktur bilden. Idealerweise stoßen sie auf Poren, die ihrer eigenen Stärke entsprechen. Zugleich müssen diese Hohlräume tief genug sein, damit die Trabekel darin genügend Halt finden.

Materialtechnisch ist das eine enorme Herausforderung: Das Implantat soll eine poröse Oberfläche bieten und zugleich über viele Jahre enormen Belastungen standhalten. Die Implantatkomponenten werden deshalb aus hochstabilen Titanlegierungen gefertigt. Für ihre glatten Oberflächen braucht es eine Beschichtung, die unverbrüchlich – im engsten Sinne des Wortes – mit dem Substrat verbunden ist. Die Lösung für dieses Problem bietet das Vakuumplasmaspritzen (Vacuum Plasma Spraying, VPS).

Hochreine Gasatmosphäre

Die Implantatrohlinge werden dabei in einer Vakuumkammer platziert. Bei einem Unterdruck von etwa 0,08 Millibar werden Luftsauerstoff sowie anhaftender Wasserdampf vollständig abgesaugt und die Voraussetzung für eine äußerst reine Gasatmosphäre geschaffen. Nun wird die Kammer mit Argon gespült und erneut evakuiert. Anschließend wird das Prozessgas in die Kammer geleitet. Mit dem Einschalten des Plasma-Brenners beginnt der eigentliche Beschichtungsprozess.

Durch Anlegen von Starkstrom entsteht ein Lichtbogen, das Prozessgas wird zum Plasma. Das Spritzpulver, das meist ebenfalls aus Titan besteht, wird in den Gasstrahl eingemischt. Bei Temperaturen von mehr als 20.000° C bilden sich flüssige Tröpfchen, die beschleunigt, verdichtet und auf die Werkstückoberfläche aufgespritzt werden. Die hohe Energiedichte im Prozess sorgt für eine extrem stabile Verbindung. Mit präziser Prozessführung lässt sich die Geometrie der entstehenden Strukturen beeinflussen und die gewünschte Porenform erreichen. Für große VPS-Anlagen hat sich eine Kombination von frequenzgeregelten COBRA Schrauben-Vakuumpumpen als Vorpumpen und Puma Vakuum-Boostern bewährt.

Die kurze Antwort lautet: nein. Ein Großteil der Komponenten für künstlichen Gelenke (Endoprothesen) wird aus Kobalt-Chrom-Legierungen (CoCr) hergestellt. Sie haben sich durch ihre Stabilität unter der dauernd wechselnden Belastung im menschlichen Körper hervorragend bewährt. Allerdings können sich Knochenzellen mit Oberflächen aus diesen Legierungen nicht direkt verbinden. CoCr-Implantate werden deshalb mit sogenanntem Knochenzement – einem Kunstharz – im Knochen befestigt.

Titan bietet ähnlich gute Festigkeit wie CoCr, verträgt sich aber gut mit dem Knochen. Dessen Zellen können sich direkt mit diesem Metall verbinden. Ähnlich verhält es sich mit Tantal, das aber viel seltener, damit wesentlich teurer ist und nur in geringerem Maß für Implantate verwendet wird. Ob die zementierte oder die direkte Verankerung besser ist, hängt von zahlreichen Faktoren ab. So werden künstliche Hüftgelenke häufig ohne, Kniegelenke dagegen meist mit Knochenzement implantiert.


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