Tribologie

Hintergrund und Ziele

Im Laufe des Lebens erfahren alle Strukturen des Körpers einen natürlichen Alterungsprozess. Dies gilt auch für Gelenkknorpel. Treten übermäßige Abnutzungserscheinungen oder ein frühzeitiger Verschleiß des Gelenkknorpels auf, so bedarf dies einer Behandlung, bei der das natürliche Gelenk häufig durch ein künstliches ersetzt wird. Dieser Eingriff ist äußerst erfolgreich; kurz nach dem operativen Eingriff erlangen die meisten Patienten eine schmerzfreie Wiederherstellung der Gelenkfunktion. Jährlich werden weltweit über 2 Millionen künstliche Gelenke implantiert.

Allerdings treten an den Gleitflächen der künstlichen Gelenkpartner Reibung und Verschleiß auf. Durch Verschleißprozess werden Partikel erzeugt, welche dann in das umliegende Gewebe freigesetzt werden. Diese Partikel können entzündliche Gewebereaktionen provozieren, in deren Folge es zu einem Abbau von knöcherner Substanz kommt, was langfristig zur Lockerung des künstlichen Gelenkes führen kann. Auch zu große Reibung zwischen den Gelenkpartnern kann langfristig zum Versagen des künstlichen Gelenks führen. Seitdem künstliche Gelenke vermehrt auch bei jungen und aktiven Patienten eingesetzt werden, steigen die Anforderungen an die Implantathaltbarkeit. Dabei kommt den verwendeten Materialien und Implantatprinzipien eine immer größere Bedeutung zu.

Rein technisch betrachtet beschäftigt sich die „Tribologie“ mit Reibung, Schmierung und Verschleiß. Im Zusammenhang mit künstlichen Gelenken muss diese Betrachtungsweise aber um eine biologische Komponente ergänzt werden, die sich insbesondere auch mit den Folgen von Verschleiß für den Organismus auseinandersetzt. Der Schwerpunk des Tribologie-Clusters liegt aus diesem Grund in der tribologischen Charakterisierung künstlicher Gelenke und in der Erforschung biologischer Wirkmechanismen von Verschleißprodukten. Dies umfasst die komplexe Simulation künstlicher Gelenke unter möglichst physiologischen Bedingungen, die Charakterisierung der Verschleißprodukte und beinhaltet auch in-vivo Untersuchungen zur biologischen Beurteilung der Verschleißprodukte. Wichtige Ziele des Tribologie-Clusters sind die Standardisierung wissenschaftlicher Methoden, die Nutzung von Synergien zwischen den teilnehmenden Arbeitsgruppen und der wissenschaftlichen Arbeit sowie die gemeinsame Fördermittelaquirierung. Als Hauptziel des Tribologie-Clusters steht das tiefgründige Verständnis über Mechanismen, die die Haltbarkeit künstlicher Gelenke begrenzen und daraus resultierend, eine kontinuierliche Verbesserung der Kunstgelenke für den klinischen Einsatz.

Ein Simulator bildet die Belastungen im künstlichen Gelenk nach
Partikel, die verschleißbedingt an einem künstlichen Gelenk entstehen

Teilnehmer

  • Dipl.-Ing. R. Sonntag, MSc. (Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Zentrum für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Heidelberg)
  • U. Müller, MSc. (Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Zentrum für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Heidelberg)
  • M. Schröder, MSc. (Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Zentrum für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Heidelberg)
  • S. Braun, MSc. (Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Zentrum für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Heidelberg)
  • Dr. rer. biol. hum. Dipl.-Ing. (FH) Christian Schröder (Labor für Biomechanik und Experimentelle Orthopädie, Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Physikalische Medizin und Rehabilitation, Ludwig-Maximilians-Universität, Campus Großhadern)
  • Dr. med. A. Paulus (Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Physikalische Medizin und Rehabilitation, Ludwig-Maximilians-Universität, Campus Großhadern
  • PD Dr. med. S. Utzschneider (Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Physikalische Medizin und Rehabilitation, Ludwig-Maximilians-Universität, Campus Großhadern
  • Prof. Dr. Anke Bernstein (Muskuloskelettales Forschungslabor, Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Freiburg)
  • Dipl.-Ing. (FH) A. Schütte, M.Sc. (Sektion für experimentelle Orthopädie und Unfallchirurgie, Orthopädisch-Unfallchirurgisches Zentrum (OUZ), Medizinische Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg)

Gemeinsame Projekte

Gemeinsame Publikationen

Wear testing of total hip replacements under severe conditions. Zietz C, Fabry C, Reinders J, Dammer R, Kretzer JP, Bader R, Sonntag R. Expert Rev Med Devices. 2015 Jul;12(4):393-410.

Experimental testing of total knee replacements with UHMW-PE inserts: impact of severe wear test conditions. Zietz C, Reinders J, Schwiesau J, Paulus A, Kretzer JP, Grupp T, Utzschneider S, Bader R.

Characterization of polyethylene wear particle: The impact of methodology. Schröder C, Reinders J, Zietz C, Utzschneider S, Bader R, Kretzer JP. Acta Biomater. 2013 Dec;9(12):9485-91.

Grundlagen zur tribologischen Analyse von Endoprothesen Kretzer JP, Zietz C, Schröder C, Reinders J, Middelborg L, Paulus A, Sonntag R, Bader R, Utzschneider S. Orthopäde. 2012 Oct;41(10):844-52.

Koordinatoren

Prof. Dr. sc. hum. J. Philippe Kretzer
Labor für Biomechanik und Implantatforschung
Orthopädischen Universitätsklinik Heidelberg
Schlierbacher Landstr. 200a
69118 Heidelberg

Tel.: +49 (0)6221 / 56 292-09
Fax: +49 (0)6221 / 56 292-06
E-mail: kretzer(at)implantatforschung.de

Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Rainer Bader
Universität Rostock, Orthopädische Klinik und Poliklinik
Forschungslabor für Biomechanik und Implantat-Technologie
Doberaner Str.142
18057 Rostock

Tel.: +49 (0)381 / 494 - 9337
Fax: +49 (0)381 / 494 - 9303

E-mail: rainer.bader©med.uni-rostock.de