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Werkzeuge aus dem Drucker- „Sägen ohne Schäden“

Werkzeuge aus dem Drucker- „Sägen ohne Schäden“

© IFW, Sarah Busemann
Gedrucktes, noch nicht nachbearbeites Sägeblatt für die Knochenbearbeitung

Ein Meilenstein in der Medizintechnik: Ein neues am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover entwickeltes Werkzeug soll Gewebeschädigungen und Infektionen bei Operationen verhindern. Im Projekt „Sägen ohne Schäden“ arbeiten die Wissenschaftler an einer Knochensäge mit innenliegender Kühlung.

Zahlreiche chirurgische Eingriffe, zum Beispiel die Implantation von Knie und Hüftgelenken, erfordern den Einsatz oszillierender Knochensägen. Postoperative Misserfolge entstehen häufig durch thermisch induzierte Gewebeschädigungen, die durch die Wärmeentwicklung während des Zerspanprozesses bei der Operation entstehen. Diesem Problem wird momentan mit sequentiellem Arbeiten sowie einer von außen zugeführten Kühlung mittels Kochsalzlösung begegnet. Dabei steigt jedoch das Risiko einer Infektion. Das Projekt am IFW will die Risiken einer Gewebeschädigung sowie einer Infektion senken. Projektmitarbeiterin Sarah Busemann: „Wir entwickeln mit Hilfe der additiven Fertigung ein Werkzeug mit innenliegenden geschlossenen Kühlkanälen.“

Die Bevölkerung wird zwar immer älter, laut dem Statistischen Bundesamt sind die heutigen Rentner allerdings auch aktiver als jede Generation zuvor. Gelenkverschleiß macht aber auch vor den „aktiven Alten“ nicht halt und somit ist es nicht verwunderlich, dass die Anzahl der implantierten Hüft- und Knieendoprothesen kontinuierlich ansteigt.

Allein in Deutschland wurden 2018 insgesamt 429.000 Hüft- und Knieendoprothesen implantiert. Wie jede Operation birgt auch die Implantation einer Endoprothese Risiken. Neben allgemeinen Risiken (Blutungen, Thrombosen etc.) kann es bei einer solchen Operationen leider auch zu einer postoperativen Lockerung des Implantats kommen – beispielsweise durch Infektionen oder Osteonekrosen. Diese können durch den spanenden Sägeprozess entstehen, der notwendig ist, um erkranktes oder störendes Knochenmaterial zu entfernen.

Im Prozess kommen handgeführte oszillierende Knochensägen zum Einsatz. Die bei der Reibung zwischen Knochen und Sägeblatt entstehende Wärme überschreitet dabei den physiologisch unkritischen Bereich (>42°C) und führt somit zu Schäden im Gewebe. Gängige Methoden zur Reduktion der thermischen Belastung sind das sequentielle Arbeiten sowie eine von außen zugeführte Kühlung mittels Kochsalzlösung. Das Risiko einer Infektion wird dadurch zusätzlich erhöht. Darüber hinaus reichen diese Maßnahmen nicht aus, um die Möglichkeit einer thermisch induzierten Osteonekrose auszuschließen.

Bis heute gab es aus technologischer Sicht keine Möglichkeit, die sehr dünnen konventionell verwendeten Sägeblätter (0,9 -1,5 mm) mit einem Kühlkanalsystem auszustatten. Mit der mittlerweile etablierten Technologie des Metall-Laserschmelzens ist es nun möglich, nahezu jede Geometrie zu fertigen. Gemeinsam mit der Bionic Production GmbH und der Gebr. Brasseler GmbH wird die additive Fertigungstechnologie eingesetzt, um Sägeblätter mit innenliegenden geschlossenen Kühlkanälen zu entwickeln und zu realisieren.

Versuche an Kunstknochen mit konventionellen Sägeblättern zeigen, dass es partiell zu Temperaturen von über 100 °C kommen kann. „Die Ergebnisse unserer Fluidsimulationen und Analogieversuche an ersten gedruckten, mit Kühlkanälen versehenen Sägeblättern sind vielversprechend. Wir konnten die Temperaturen in einen physiologisch verträglichen Bereich senken“, erläutert Sarah Busemann. In weiteren Simulationen und Einsatzversuchen der Sägeblätter wird nun in Zusammenarbeit mit den Partnern das „optimale” Sägeblatt mit der erforderlichen mechanischen Stabilität und der notwendigen Kühlleistung ausgelegt.

Kontakt:
Für weitere Informationen steht Ihnen M. Sc. Sarah Busemann, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, unter Telefon +49 511 762 18279 oder per E-Mail unter busemann@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.