Schrauben, die zum Körper passen

Schraubnagel
Fraunhofer.de

Zu Beginn der Skisaison herrscht in der Regel Hochbetrieb in den alpenländischen Unfallkliniken. Einige Patienten haben danach ziemlich viel Metall im Körper. Denn gerade komplizierte Knochenbrüche werden meist mit Schrauben und Platten aus Titan oder Stahl fixiert. Später müssen sie in einer weiteren Operation entfernt werden. Das ist aufwendig und belastend für die Patienten.

Bleiben die Schrauben im Körper, lösen sie bei empfindlichen Menschen Entzündungen oder Allergien aus. Diese Beschwerden könnten bald Geschichte sein: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM haben gemeinsam mit Partnern der Uni-Kliniken Gießen-Marburg und Bonn, sowie der Universität Bremen einen biokeramischen Schraubnagel entwickelt. Der sogenannte „Schragel“ besteht aus Calciumphosphat, das im Wesentlichen der Zusammensetzung der Knochensubstanz entspricht.

Gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit einer Million Euro. Wichtige Aufgabenstellungen waren laut Dr. Sebastian Hein vom Fraunhofer IFAM, den Schraubnagel hinsichtlich seines Designs keramikgerecht anzupassen und die nötige Härte des Materials zu generieren. Im Gegensatz zur herkömmlichen medizinischen Schraube aus Titan oder Polymer wird der Schragel nicht in den vorgebohrten Knochen geschraubt, sondern vorsichtig eingehämmert. Deshalb haben die Forscher eine spezielle Gewindeform für den Schragel entwickelt. So lässt er sich mit wenigen Rotationen einbringen und vermindert die Verletzungsgefahr an Sehnen und Knochen.

Der keramische Schraubnagel muss nicht entfernt werden, weil er in den Knochen einwächst. Das wird dadurch begünstigt, dass die beiden hauptsächlich verwendeten Biokeramiken Calciumphosphat oder Hydroxylapatit dem Knochenmaterial sehr ähnlich sind. Das ist auch ein wesentlicher Vorteil gegenüber den Polymerschrauben, die sich im Körper auflösen. Ihre Abbauprodukte verursachen zuweilen Entzündungen und im Knochen können nach der Auflösung Hohlräume entstehen. Dadurch wird er instabil und kann leichter brechen. Keramikbasierte Schraubnägel lösen sich nicht auf, sondern verbinden sich mit dem Knochen. Im Idealfall forcieren sie laut Hein sogar den Knochenaufbau.

Die größte Herausforderung für das Entwickler-Team von IFAM und Uni Bremen war, eine maximale Festigkeit des Materials zu erreichen, da Keramiken brechen können. Dazu wurde die Spritzgusstechnik angewandt. Dabei wird beispielsweise Hydroxylapatit-Pulver in Schragel-Formen gegossen und erhitzt. Ohne Lufteinflüsse ergeben sich so optimal dichte Bauteile. Gerade für die Serienfertigung ist dieses Verfahren sehr günstig und lässt ein flexibles Design zu. Das Hydroxylapatit-Pulver kann aber auch im Zusammenhang mit 3-D-Druckern eingesetzt werden. So lassen sich Patienten-spezifische Implantate erstellen, die sich beispielsweise aus einem MRT ergeben haben.

Erste Tests des Schragels an Schafen sind positiv verlaufen. An der Uniklinik Gießen und Marburg liefen Probanden-Schafe ein Jahr lang erfolgreich mit biokeramischen Implantaten rum. Keiner der Schraubnägel brach oder rutschte raus. Da Schafsknochen noch härter sind als menschliche Knochen und sich die Tiere viel bewegen, eigneten sie sich besonders gut für die Tests.

Sebastian Hein rechnet damit, dass der Schragel bald bei Operationen eingesetzt wird, denn Calciumphosphat wurde bereits auf seine Biokompatibilität getestet und ist schon seit einigen Jahren als medizinischer Werkstoff in Gebrauch. Hinzu kommt, dass die Ärzte bei den Operationen an den Schafen die Schragel viel schneller und exakter einhämmern konnten als Standardschrauben. „Ein Effekt mit dem wir gar nicht gerechnet hatten“, sagt Dr. Hein. Die Operationszeit verkürzt sich dadurch und der Patient muss weniger lang unter Narkose bleiben. Und beim Heimflug aus dem Skigebiet piept am Flughafen kein Metalldetektor mehr.

Vom 14. bis 17. November präsentieren die Forscher den „Schragel“ auf der Messe MEDICA in Düsseldorf am Stand von Fraunhofer-IFAM (Halle 10, Stand G05).