- Titel
- Untersuchung zur Anwendung von Formgedächtnislegierungen bei der Revision von Hüftimplantatkomponenten
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-1061489
- Datum der Einreichung
- 06.05.2025
- Datum der Verteidigung
- 21.04.2026
- Abstract (DE)
- Trotz hoher Standzeiten von Hüftimplantaten kann bedingt durch unterschiedliche Ereignisse, wie Trauma, Verschleiß oder Entzündungsprozesse, eine Revision von Implantatkomponenten erforderlich sein. Die Verwendung von keramischen Gleitpaarungen in der Hüftendoprothetik ist aufgrund der hervorragenden Abriebeigenschaften und der Biokompatibilität des Materials eine etablierte Praxis. Das Lösen von Keramikinlays in modularen Hüftpfannen stellt jedoch eine Herausforderung bei der Revision von Implantaten und Implantatkomponenten dar. Polyethylen-Inlays können intraoperativ durch Perforation und spezielle Instrumente im Regelfall mit geringem intraoperativem Aufwand revidiert werden. Im Vergleich dazu kann der Zeitaufwand für die Entfernung von Keramikinlays deutlich höher sein. Es besteht außerdem das Risiko einer Beschädigung des Inlays oder des Metallrandes der Pfanne aufgrund der mechanischen Belastungen während des Revisionsprozesses. Methoden zum Lösen eines Keramikinlays können beispielsweise die Anwendung einer mechanischen Schwingung oder eines Impulses im Bereich des Pfannenrandes sein. Unter Verwendung von Werkzeugen wie Hammer und Stößel oder spezieller Instrumente kann so die Entfernung des Keramikinlays nach dem Lösen der konischen Pressverbindung erreicht werden. Eine weitere invasive Technik ist das Bohren in den Metallpfannenrand, um einen Kontaktpunkt für einen Einschläger zu schaffen, der das Inlay löst. Diese Revisionsverfahren können dazu führen, dass selbst nach intensiver Reinigung des Operationsfeldes Keramik-Splitter aufgrund einer potenziellen Beschädigung des Inlays im Körper verbleiben. Die Folgen können erhöhter Verschleiß der neuen Tribopartner oder auch Entzündungsprozesse sein. Auch können Beschädigungen an der Metallpfanne einer Revision dieser Komponente erforderlich machen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist der technische Machbarkeitsnachweis für ein Aktuatorsystem auf Basis einer thermischen Formgedächtnislegierung (FGL), das zum Lösen eine Ausdrückkraft zwischen dem Keramikinlay und der Metallpfanne erzeugen kann, ohne diese Komponenten zu beschädigen oder den Implantat-Knochen-Verbund zu beeinflussen. Dabei muss sichergestellt werden, dass der Aktuator das Implantat oder seine mechanische Stabilität während der Standzeit nicht negativ beeinflusst. Ein zusätzliches PEEK-Inlay zwischen dem Aktor und der Metallpfanne isoliert den FGL-Aktuator thermisch und positioniert ihn innerhalb der Hüftpfanne. Die Oberfläche der Hüftpfanne enthält Kontaktpunkte für die Aktivierung des Formgedächtnismaterials. Der thermische Stimulus führt zu einer Kontraktion des Aktuators, der so eine Ausdrückkraft erzeugt, die die konische Presspassung löst und die Entfernung des Inlays ermöglicht. Zum Nachweis der technischen Umsetzbarkeit wird der Einfluss der Designänderungen auf die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu einem kommerziellen Implantatsystem anhand geltender Prüfnormen für Hüftimplantate analysiert. Die reproduzierbare Funktionsweise des Aktuators wird mittels selbst entwickelter Prüfabläufe untersucht. Dabei werden das Aktivierungsverhalten, die erreichten Aktuatorkräfte sowie das Herauslösen von gefügten Keramikinlays betrachtet. Das Implantatkonzept bietet einen neuen Ansatz für die Revision von Keramikinlays. Hüftpfanne und Inlay werden im Vergleich zu konventionellen Methoden weniger mechanisch belastet. Die Risiken hinsichtlich der Beschädigung von Implantatkomponenten, der Beeinflussung der Implantat-Knochen-Schnittstelle sowie der Möglichkeit der Entstehung von Keramiksplittern im OP-Situs werden verringert. Zusätzlich zu den Sicherheitsaspekten ist der Revisionsprozess reproduzierbar und für die Operierenden einfach zu handhaben. Zielstellung Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Aktuatorsystems auf Basis einer thermischen Formgedächtnislegierung zur Revision von keramischen Inlays aus metallischen Hüftpfannen. Dabei soll das Aktuatorsystem das Entfernen des Inlays ohne Gefahr der Beschädigung von Pfanne, Keramikinlay und umgebendem Gewebe ermöglichen. Methodik Das methodische Vorgehen im Rahmen der vorliegenden Arbeit gliedert sich in vier prinzipielle Phasen: • Konzeptentwicklung und Variantenbewertung • die Auslegung des FGL-Aktuators • das Design einer Hüftpfanne • die technische Evaluierung eines Implantatsystem im Rahmen von Laborversuchen Die erste Phase umfasste eine Konzeptstudie zu prinzipiellen Wirkmechanismen und deren Bewertung. Ziel war es, Konzepte für die Sicherung und Freigabe der Schnittstelle zwischen einem Keramikinlay und einer Metallpfanne zu entwickeln. Dabei sollte das Risiko einer Beschädigung der Pfannenkomponenten bei der Revision minimiert werden. Die entwickelten Ansätze basieren auf der Verwendung von Formgedächtnislegierungen als Aktuatormaterial. Prinzipiell wurde die Verwendung der herkömmlichen konischen Pressverbindung der Bauteile mit neuen Lösemechanismen kombiniert. Alternativ wurde die vollständige Neugestaltung der geometrischen Schnittstelle von Pfanne und Inlay zur Realisierung einer modifizierten mechanischen Verbindung betrachtet. Auf Basis einer Variantenbewertung erfolgte die konstruktive Gestaltung des FGL-Aktuators und die notwendige fertigungstechnische Prozessgestaltung inklusive der Charakterisierung des Aktorverhaltens. Die Aktorgestaltung machte Änderungen des Hüftpfannendesigns notwendig. Zusätzlich zu einer geometrischen Anpassung der Innengeometrie wurde der Einsatz einer weiteren Komponente zur Kraftübertragung und thermischen Isolation notwendig. Diese PEEK-Komponente musste ebenfalls ausgelegt und technisch umgesetzt werden. Für die labortechnische Evaluierung des Gesamtsystems wurden relevante Prüfverfahren für Hüftimplantate betrachtet und auch eigene Prüfkonzepte zur Charakterisierung des FGL-Aktuators entwickelt. Mit dem methodischen Vorgehen sollten folgende Fragen beantwortet werden: • Ist die Integration eines FGL-Aktuatorsystems in eine metallische Hüftpfanne möglich? • Beeinflusst die Modifikation der Hüftpfannenkomponenten die Ein- und Ausdrückkräfte von Keramikinlays (ASTM F1820:2022) sowie das Verformungsverhalten (ISO 7206-12:2016) der metallischen Hüftpfanne im Vergleich zu Standardkomponenten? • Wie kann der FGL-Aktuator zuverlässig aktiviert werden, um nach statischer Belastung eine ausreichende Kraft zum Entfernen des Keramikinlays zu erzeugen? Ergebnisse In dieser Studie wurde ein neues Revisionskonzept vorgestellt, bei dem ein integriertes Aktuatorsystem auf der Grundlage eines Drahtes aus einer Formgedächtnislegierung verwendet wird, um Keramikinlays aus einer metallischen Hüftpfanne zu lösen. Dazu wurden verschiedene Aktuator- und Hüftpfannendesigns entwickelt und analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass der verwendete FGL-Draht lasergeschweißt und mit einem Formwerkzeug und einer thermomechanischen Behandlung zu einer Zielgeometrie in Form einer Schlaufe umgeformt werden kann. Die präklinische technische Evaluierung des FGL-Aktor-Systems erfolgte unter In-vitro-Testbedingungen gemäß den Prüfstandards ASTM F1820:2022 und ISO 7206-12:2016. Der Schwerpunkt lag auf der Untersuchung der erreichbaren Ein- und Ausdrückkräfte des Keramikinlays, dem Verformungsverhalten der Hüftpfanne unter Last und der vom Aktor erzeugten Kraft. Nach einer Vordehnung konnten reversible Längenänderungen des FGL-Aktors zwischen 3,2 % und 4,3 % nach elektrischer Widerstandserwärmung oder der Applikation von temperiertem Spülwasser nachgewiesen werden. Der FGL-Aktor erzeugte eine Kraft von bis zu 1951 N zwischen der Metallpfanne und dem Keramikinlay. Dadurch kann das Inlay aus der konischen Pressverbindung herausgelöst werden. Mit einer Zug-Druck-Torsions-Prüfmaschine wurden mit den modifizierten Hüftpfannen Ausdrückkräfte für die Keramikinlays von durchschnittlich 630 N nach statischer und 683 N nach zyklischer Belastung gemäß ASTM F1820:2022 ermittelt. Dies entspricht einer Differenz von 6 % nach statischer bzw. 4,2 % nach dynamischer Belastung im Vergleich zu Standardkomponenten. Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten wurde eine Mindestausdrückkraft von 350 N festgelegt. Das Kriterium wurde erfüllt. Statische Verformungsmessungen der modifizierten Pfanne nach ISO 7206-12:2016 ergaben eine maximale Verformung von 0,0544 mm. Diese Ergebnisse sind mit dem mechanischen Verhalten kommerzieller Hüftpfannenimplantate vergleichbar. Die durchgeführten Designänderungen an der Hüftpfanne zur Integration des FGL-Aktors-Systems führen zu keiner Beeinträchtigung der mechanischen Funktion. Zusammenfassend konnte unter Laborbedingungen gezeigt werden, dass ein nach ASTM F1820:2022 montiertes Keramikinlay mit dem entwickelten FGL-Aktor zuverlässig entfernt werden kann.
- Verweis
- kumulative Promotion, Publikation 1
Feasibility of a Shape-Memory-Alloy-Actuator System for Modular Acetabular Cups
DOI: 10.3390/bioengineering11010075 - 4.2 Proof of Concept of a New Revision Procedure for Ceramic Inlays of Acetabular Cups Using a Shape-Memory-Alloy-Actuator System
kumulative Promotion, Publikation 2
DOI: 10.3390/bioengineering11090868 - Freie Schlagwörter (DE)
- Hüftimplantat, Revision, Endoprothetik, Inlay, Formgedächtnislegierung, FGL
- Klassifikation (DDC)
- 610
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Universität Leipzig, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- angenommene Version / Postprint / Autorenversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-1061489
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 24.07.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-SA 4.0- Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis III 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Revisionstechniken mit Fokus auf das Inlay der Hüftpfanne 4 2.2 Formgedächtnislegierungen und Anwendungen in der Medizintechnik 8 2.3 Auswahl von Prüfverfahren für Hüftendoprothesen mit Fokus auf die Acetabulumkomponenten 14 3 Ziel der Arbeit 17 4 Publikationen 20 4.1 Feasibility of a Shape-Memory-Alloy-Actuator System for Modular Acetabular Cups 20 4.2 Proof of Concept of a New Revision Procedure for Ceramic Inlays of Acetabular Cups Using a Shape-Memory-Alloy-Actuator System 41 5 Diskussion 60 5.1 Technische Umsetzbarkeit 60 5.2 Klinischer Ausblick 63 5.3 Limitierungen der Untersuchungen 66 6 Zusammenfassung 68 Literaturverzeichnis 73 Abbildungsverzeichnis 86 Tabellenverzeichnis 87 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 88 Darstellung des eigenen Beitrags 89 Lebenslauf und wissenschaftlicher Werdegang 92 Danksagung 99