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ANSYS BLOG

March 3, 2020

Bessere Implantate entwerfen: Ist Knochenmaterial stabiler als Stahl?

Ich könnte behaupten, dass die Natur die älteste und beste Ingenieurin der Welt ist. Im Laufe der Jahrtausende hat sie unsere Entwürfe überarbeitet und unsere Komponenten perfektioniert, um sie leichter, stärker und hochgradig optimiert zu machen.

Infolgedessen beginnen menschliche Ingenieur*innen, durch die Wissenschaft der Biomimikry von den Beispielen der Natur zu lernen.

Manche halten es jedoch für unwahrscheinlich, dass unsere Knochen besser sind als die Materialien, die wir für die Gestaltung von Alltagsprodukten verwenden. So stellen sich folgende Fragen:

Sind Knochen stärker als Stahl?

Sind Knochen stärker als Beton?

Nun, das kommt darauf an.


Die Natur hat unsere Knochenstrukturen seit Jahrtausenden optimiert.

Knochen hat in der Regel einen Elastizitätsmodul, der mit dem von Beton vergleichbar ist, aber er ist 10-mal stärker bei Druck.

Was den Vergleich von rostfreiem Stahl betrifft, so hat Knochen eine ähnliche Druckfestigkeit, ist aber dreimal so leicht.

Was passiert also, wenn ein Knochen so gefährdet ist, dass menschliche Ingenieur*innen eingreifen müssen? Es zeigt sich, dass die Genialität der Natur noch deutlicher wird, wenn wir versuchen, ihre Arbeit zu machen.
 

Warum ist Knochenmaterial so stark?

Obwohl Implantate für viele Menschen eine Notwendigkeit sind, kann ihre Leistung im Laufe der Zeit nicht mit der Langlebigkeit eines durchschnittlichen Knochens verglichen werden. So kann es beispielsweise 60 bis 80 Jahre dauern, bis ein Kniegelenk verschlissen ist. Ein künstliches Kniegelenk hält jedoch nur ein Viertel dieser Zeit.


Ein normales Knie kann 60 bis 80 Jahre halten, während ein künstliches Knie 15 bis 20 Jahre halten kann.

Ingenieur*innen müssen ihre Implantate so konstruieren, dass sie einer großen Belastung standhalten. Bei alltäglichen Aktivitäten wie Gehen oder Springen kann ein typischer Knochenbau Belastungen ausgesetzt sein, die das Vier- bis 20-fache des Körpergewichts einer Person betragen. Diese Belastungen können in Form von:

  • Komprimierung
  • Verdrehung
  • Schere
  • Spannung

Wie übersteht der Knochen diese Kräfte? Das liegt an der Zusammensetzung seiner Mikrostruktur. Knochen besteht aus Kollagenfasern, die durch eine dichte Füllung und umgebende Mineralien versteift werden. Außerdem enthält er:

  • Blutgefäße
  • Lebende Zellen
  • Eiweiß
  • Wasser

In ähnlicher Weise sind Verbundwerkstoffe zu einem wichtigen Bestandteil der Materialgestaltung und -auswahl geworden. Die Tatsache, dass sich Knochen an ihre Umgebung anpassen und verändern können, ist jedoch eine Eigenschaft, die Ingenieur*innen nur schwer imitieren können. Daher nutzen sie sowohl die Materialauswahl als auch das Design, um ihre Implantate zu verbessern, bis sie den Erwartungen entsprechen.
 

Ingenieur*innen setzen die Suche nach Knochenersatzstoffen fort

Da Ingenieur*innen nicht alles nachbilden können, was ein Knochen kann, werden ihre Entwürfe von medizinischen Geräten für bestimmte Anwendungsfälle optimiert.

Wenn ein Patient beispielsweise ein Knochentransplantat benötigt, konzentrieren sich die Ingenieur*innen darauf, die Chemie und Mikrostruktur des verbleibenden Knochens anzupassen. Eine gute Option ist hier Kalziumphosphat, weil es das Knochenwachstum anregt, die Heilung fördert und die Integration der transplantierten Materialien unterstützt.


Knochengewebe
 

Gelenkersatz geht mit Herausforderungen einher. In diesem Fall müssen die Ingenieur*innen ein Material finden, das der Leistungsfähigkeit des umgebenden Knochens entspricht. Diese Materialeigenschaften variieren je nach Alter, Geschlecht, Gewicht, Lebensstil usw. des Patienten. Die Ingenieur*innen müssen auch sicherstellen, dass das Material die richtigen Korrosionsbeständigkeits- und Biokompatibilitätseigenschaften aufweist.

Mit einem Tool zur Materialauswahl können Ingenieur*innen das richtige Material für einen Patienten und seinen medizinischen Zustand auswählen. Alternativ können sie mit Hilfe einer Materialinformationssoftware neue Materialien entwerfen, die besser funktionieren als die derzeit auf dem Markt erhältlichen.

Um mehr zu erfahren, sehen Sie sich das Webinar an: Material Intelligence: From Selection to Management.

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