Material and manufacturing meet biology - creation of a new generation of smart, laser melted metal implants with embedded actuators and sensors

Implantate, im speziellen Fall Endoprothesen, sind mechanische Bauteile, die anhand biomechanischer Kriterien und aus Sicht der eingesetzten Werkstoffe optimiert wurden. Einen wichtigen Aspekt stellt dabei die Realisierung einer stabilen Implantat-Knochen-Schnittstelle dar. Diese kann z. B. durch last- oder entzündungsbedingte Knochenumbauvorgänge stark beeinflusst werden. Dies kann unter Umständen bei einer Implantatlockerung zu einer Wechseloperation führen. Je später eine Implantatlockerung erkannt wird, desto höher ist die Gefahr von Komplikationen. Sei es durch höheren Knochenverlust, Schmerzen des Patienten oder sogar durch den Bruch eines Implantates. Die Lockerung eines Implantates kann dabei durch bildgebende Verfahren (z. B. Röntgen) oder eine regelmäßige Funktionsdiagnostik festgestellt werden. Dies ist jedoch im Regelfall nicht möglich bzw. wird die Implantatlockerung meist zu spät festegestellt. Der vorgestellte Ansatz beschreibt einen Aktuator auf Basis eines keramischen Multilayers, welcher stoffschlüssig während des generativen Fertigungsprozesses eines Hüftimplantates integriert wird. Das System ist hermetisch im Titanimplantat verkapselt und kann berührungslos von außen über eine extrakoporale Einheit angesteuert werden. Dabei kann das Implantat und somit auch das System, bestehend aus Implantat und Knochen, definiert zum Schwingen angeregt werden. Eine Veränderung der Implantat-Knochen-Schnittstelle führt dabei zu Änderungen der dynamischen Eigenschaften des Implantat-Knochen-Verbundes (z. B. resultierende Eigenfrequenzen). Experimentelle Untersuchungen belegen die Möglichkeit der berührungslosen Energieübertragung in das hermetisch gekapselte Implantat. Mit Hilfe eines 3D-Laserscanningvibrometers konnten dabei die theoretisch berechneten Schwingformen bestätigt werden. Der aktive Aktuatormodus des entwickelten Systems ermöglicht dabei perspektivisch die Stimulation der Gewebeheilung durch Mechanotransduktion und die Unterstützung von bioaktiven Oberflächen sowie die Immunmodulation durch Mechanotransduktion.Der inverse Sensormodus ermöglicht im Gegensatz dazu die Überwachung von Belastungs- und Festigkeitsänderungen, die Überwachung des Implantat - Gewebe - Interface sowie die permanente Gang- und Bewegungsüberwachung.