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Medizin: NC State University - Additiv gefertigtes Kniegelenk für einen Kater

Die Rettung von Kater Cyrano: Dank lasergesinterter Prothese entging Cyrano einer Beinamputation

Cyrano ist die erste Katze in den USA, der eine Knie-TEP (Totalendoprothese) eingesetzt wurde. Die Femur- und die Tibiakomponente wurden mithilfe des von EOS entwickelten DMLS-Verfahrens gefertigt (Quelle: NC State University).
Cyrano ist die erste Katze in den USA, der eine Knie-TEP (Totalendoprothese) eingesetzt wurde. Die Femur- und die Tibiakomponente wurden mithilfe des von EOS entwickelten DMLS-Verfahrens gefertigt (Quelle: NC State University).
Lange Zeit führte Monsieur Cyrano L. Catte II, ein orange-weiß gescheckter Kater, das perfekte Leben. Er wohnte in einem schönen Haus in Upperville im US-Bundesstaat Virginia, bekam mehr als nur ausreichend Futter und wurde von seinen Besitzern vergöttert. Doch dann erkrankte er im Alter von neun Jahren an Knochenkrebs am linken Hinterlauf. Um ihm zu helfen, scheuten Cyranos Besitzer weder Kosten noch Mühen und brachten ihn zur University of Colorado. Dort ging er als die erste Katze, die einer stereotaktischen Bestrahlung (Präzisionsbestrahlung von Tumoren) unterzogen wurde, in die veterinärmedizinische Geschichte ein. Nach zwei Zyklen war zwar der Krebs besiegt, aber die Radiotherapie hatte erhebliche Nebenwirkungen. Am Oberschenkelknochen in der Nähe des Kniegelenks (distaler Femur) und am oberen Ende des Schienbeins (Tibia) kam es zum Knochenabbau. Normalerweise wird bei einem solchen Zustand das Bein amputiert, aber mit seinen knapp 12 kg Gewicht wäre für Cyrano eine Fortbewegung auf drei Beinen mit Schwierigkeiten verbunden gewesen.

Herausforderung

Eine Alternative war, das Kniegelenk durch ein künstliches zu ersetzen – ein Eingriff, der in den USA noch nie zuvor an einer Katze vorgenommenen wurde. In der Veterinäranstalt der North Carolina State University in Raleigh trafen die Katzenhalter auf den Tierarzt und Professor für orthopädische Chirurgie Dr. Denis Marcellin-Little und Professor Ola Harrysson von der Fakultät für Industrie- und Systemtechnik (ISE). Beide erkannten sofort die Herausforderungen des Projekts: Die Implantate mussten sehr klein sein und angesichts des schlechten Zustands der Gelenkknochenstruktur über Zapfen verfügen, um sie in den Knochen sicher zu verankern.

Aufgrund ihrer Komplexität war schnell entschieden, dass die zwei Hauptbestandteile des künstlichen Kniegelenks mithilfe des von EOS entwickelten DMLS-Verfahrens (Direktes Metall-Laser-Sintern) hergestellt werden müssen. Durch die notwendigen Verankerungszapfen und die Anpassung der Prothese an die maßgeschneiderten Bohr- und Schnittschablonen bekamen die Metallbestandteile Formen, die sich mit traditionellen Gussverfahren oder subtraktiven Methoden nicht ohne weiteres hätten herstellen lassen.

Eine weitere Herausforderung war das Spektrum an Oberflächenstrukturen der endgültigen Prothese. „Aus orthopädischer Sicht wollten wir verschiedene Oberflächenarten umsetzen“, erklärt Marcellin-Little. Die beiden Verankerungszapfen, die bis in den ausgehöhlten Femur- bzw. Tibiaknochen reichten, waren leicht texturiert, um das Einwachsen des Knochens zu fördern. Weiter oben am Oberschenkel- und Schienbeinteil gab es einen löchrigen netzartigen Bereich, der für eine starke Osseointegration sorgen sollte. Während die Verankerungszapfen die kurzfristige Stabilität der Prothese sicherstellen sollten, würden diese texturierten und netzartigen Oberflächen zur langfristigen Stabilität beitragen.

Schließlich mussten die Gelenkflächen am Ende der beiden Teile extrem poliert werden, um eine leichtgängige Bewegung gegen die bei der Bewegung des Beins rotierende Gleitfläche aus Polyethylen am Schienbein zu gewährleisten.

Lösung

Für die Gestaltung der Prothese wurden zunächst 3D-Daten von einem CT-Scan des gesunden und kranken Hinterlaufs von Cyrano erfasst. Mithilfe der vom Unternehmen Materialise angebotenen MIMICS-Software konnten 3D-Modelle der Prothesen-Komponenten entworfen werden. „Wir begannen mit einer Knieprothese, die BioMedtrix für Hunde hergestellt hat und verkleinerten diese“, erläutert Marcellin-Little. „Danach haben wir die Verankerungszapfen, die dafür benötigten Schrauben sowie weitere Elemente hinzugefügt.“ Das Ergebnis war im Vergleich zu den derzeit für Katzen eingesetzten Implantaten sehr ausgereift. „Wir haben Eigenschaften von Humanprothesen eingebunden“, verrät Harrysson. „Die Kunst bestand darin, alles an die Katzengröße anzupassen. Wir reden hier von einer Prothese in der Größe eines menschlichen Fingergelenks.“ Am EOS-Hauptsitz im deutschen Krailling wurden die Teile gefertigt, zur Nachbearbeitung an BioMedtrix gesandt und anschließend dem Chirurgenteam übergeben.

Ergebnisse

Das DMLS-Verfahren funktioniert mit verschiedenen Metallen. Titan begünstigt das Einwachsen von Knochen, ist jedoch viel weicher als Kobalt-Chrom. „Die auf einem Oberschenkelkopf aus Titan einwirkenden Lasten würden das Metall letztendlich verschleißen. Da die Prothesenkomponenten an einigen Stellen ohnehin bereits sehr dünn sein würden, könnten sie mit zunehmendem Erodieren reißen oder brechen. Kobalt-Chrom war einfach die erste Wahl“, erläutert Marcellin-Little.

All diese eingangs beschriebenen Oberflächenstrukturen konnten mithilfe des Schichtbauverfahrens von EOS problemlos hergestellt werden. „Diese Technologie gibt uns nicht nur die für orthopädische Implantate benötigte gestalterische Freiheit“, berichtet Harrysson. „Damit können Oberflächen, die die Osseointegration fördern, direkt in das Teil eingebaut werden.“ Bei traditionell hergestellten Implantaten werden häufig in der Nachbearbeitungsphase Oberflächen hinzugefügt, wie z.B. aufgesinterte Kügelchen. Plasmaspritzen und andere Techniken zur Oberflächenbearbeitung besitzen jedoch nicht die gleiche Präzision wie DMLS. Mit diesem Verfahren können nämlich die Porengröße, Dichte und Gestalt des löchrigen Abschnitts genau definiert werden.

Der Schlüssel zum Projekterfolg war die Zusammenstellung eines Teams. Es bestand aus 16 Experten verschiedener Disziplinen aus fünf US-Bundesstaaten und zwei Kontinenten. „Eine solche Prothese wurde noch nie zuvor hergestellt und eine solche Operation noch nie zuvor in Angriff genommen“, so Marcellin-Little.

Cyranos Operation, die insgesamt sechs Stunden dauerte, verlief reibungslos. „Wie wir vermutet haben, war der Zustand des distalen Femurs äußerst schlecht“, erklärte Marcellin-Little. „Ohne die Verankerungszapfen hätten wir den Femur-Teil der Prothese auch dann nicht stabilisieren können, wenn wir Polymethylmethacrylat (Knochenzement) eingesetzt hätten.“

Anschließend wurde mit Rehabilitationsmaßnahmen und Behandlungen Cyranos Genesung vorangetrieben. Er machte schnell Fortschritte. Zwar zeigte er ein erkennbares Humpeln, konnte jedoch Bein und Gelenk belasten. „Cyrano war einfach der perfekte Patient, sehr lässig und ruhig“, freut sich Marcellin-Little. „Seit Ausbruch seiner Krebserkrankung ging es ihm nicht mehr so gut wie jetzt. Er ist zufrieden und seine Besitzer sind es auch.“
Die zusammengesetzte Prothese zeigt die Verankerungszapfen, die in die Beinknochen eingebracht wurden, sowie die dafür verwendeten Schrauben. (Quelle: NC State University)
Die zusammengesetzte Prothese zeigt die Verankerungszapfen, die in die Beinknochen eingebracht wurden, sowie die dafür verwendeten Schrauben. (Quelle: NC State University)
„Die Vorstellungskraft eines Orthopäden, der ein außergewöhnliches Implantat entwickeln muss, ist nicht länger durch die Grenzen herkömmlicher Fertigungsverfahren beschränkt. Das ist die wesentliche Veränderung, zu der die EOS-Technologie beigetragen hat.“
Dr. Denis Marcellin-Little, Tierarzt und Professor für orthopädische Chirurgie am College of Veterinary Medicine der NC State University
 
„Was wir vom Cyrano-Projekt gelernt haben, lässt sich auf andere Tiere und sogar auf die Humanmedizin übertragen. Jetzt, wo wir wissen, wie wir ein so ausgereiftes Miniaturgelenk herstellen können, sehen wir einige potenzielle Anwendungsbereiche, beispielsweise in der Hand- oder Kieferchirurgie.“
Ola Harrysson, Professor der Fakultät für Industrie- und Systemtechnik (ISE) der NC State University


Kurzprofil

Die North Carolina State University wurde 1887 gegründet und ist die größte des Bundesstaats. Am College of Veterinary Medicine (CVM) werden mit Leidenschaft Tierärzte und Veterinärwissenschaftler ausgebildet. Zentral ist die fortschrittliche Entwicklung der Gesundheit von Mensch und Tier – von der zellulären Ebene durch das ganze Ökosystem.
 

Anschrift

NC State University
Raleigh, NC 27695 (USA)
www.ncsu.edu
 

Kontakt 

Wiebke Jensen
EOS GmbH
Electro Optical Systems
Wiebke Jensen
Robert-Stirling-Ring 1
D-82152 München
Tel: +49 89 893 36 2485
wiebke.jensen@eos.info

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Additive Fertigung in der Orthopädietechnik

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Bei der Additiven Fertigung patientenspezifischer Medizinprodukte profitieren Fertigungsbetriebe von maßgeschneiderten EOS-Gesamtlösungen.