Neuer Rekord: Laser schneidet Knochen tiefer als bisher

Laser schneiden kontaktlos und präzise – ideal für die Chirurgie. Das Problem: Bei harten Geweben wie Knochen sind sie zu langsam und schneiden nicht tief genug. Forschende der Universität Basel zeigen nun, wie sie mit einem chirurgischen Laser deutlich tiefer und schneller schneiden können als mit bisherigen Lasersystemen.

Säge, Meißel und Bohrer sind bewährte Werkzeuge der Knochenchirurgie. In Zukunft könnten Laser diesen Werkzeugkasten ergänzen, vor allem wenn es um sehr präzise Schnitte geht. Da Laser keinen mechanischen Druck ausüben, können sie das Risiko für Mikrorisse reduzieren und speziellere Schnittformen ermöglich. Damit ließen sich beispielsweise Gelenkimplantate besser einfügen, und zwar auch maßgeschneiderte, 3D-gedruckte Implantate.

Für weiche Gewebe kommen Laser bereits heute zum Einsatz. Bei Knochen waren Schnitte bisher aber nur bis zu einer Tiefe von 2 bis 3 cm möglich, viel zu wenig beispielsweise für Gelenkimplantate. Einer der Gründe für die mangelnde Schneidleistung liegt in der Form des Laserstrahls, erläutert die Universität Basel.

Forschende um Dr. Ferda Canbaz vom Department of Biomedical Engineering der Universität Basel, berichten nun im Fachjournal „Scientific Reports“ von einem Durchbruch: Ihnen ist es gelungen, Schnitte bis in eine Tiefe von 4,5 cm durchzuführen. Indem sie ein anderes Profil des Laserstrahls, also eine andere Verteilung der Energie im Strahl, verwenden, können sie das Knochenmaterial effizienter und schneller abtragen.

Gleichmäßiger verteilte Energie

„Die Energie des Laserstrahls zu erhöhen, wäre keine gute Lösung. Der Knochen könnte verkohlen und schlechter heilen“, erklärt Canbaz. „Deshalb haben wir stattdessen die Form des Lasers verändert, oder besser gesagt sein Profil.“

Beim üblichen Profil ist der Strahl in der Mitte am stärksten und wird zum Rand hin schwächer. Das ist ähnlich wie der Strahl einer Taschenlampe, der in der Mitte am hellsten ist und nach außen ausläuft, so die Forschenden und erläutern: Die Intensität gleicht einer Gauß-Kurve mit einer abgerundeten Spitze in der Mitte. Beim neuen Profil ist die Spitze gekappt, sodass die Energie des Laserstrahls gleichmäßiger über die gesamte Fläche verteilt ist, bevor sie am Rand abrupt abfällt – daher der Name „Top-Hat“ (englisch für Zylinderhut). „Weil die Energie dabei gleichmäßiger übertragen wird, schneidet der Laser effizienter und schneller, sagt der Doktorand und Erstautor Mingyi Liu.

Das Team testete die beiden Laser-Profile an Rinderknochen. Der Knochen wurde dabei mit Druckluft und Wasser gereinigt und gekühlt, um Hitzeschäden zu vermeiden und den Schnitt freizuhalten. Die Versuche zeigten: Während der Laser mit dem üblichen Gauß-Profil nur etwa 2,6 cm tief schnitt, erreichte derjenige mit dem neuen Top-Hat-Profil 4,4 cm.

Effizient auch in der Tiefe

Eine wichtige Rolle für die Effizienz beim Schneiden spielt den Forschern zufolge, dass die Wände des Schnitts bei zunehmender Tiefe einen Teil der Energie absorbieren. Irgendwann reiche sie nicht mehr aus, um Knochenmaterial abzutragen. Das Top-Hat-Profil verteile die Energie gleichmäßiger. Dadurch bleibt der Laser auch in größerer Tiefe wirksam und schneide effizient.

Großer Fortschritt in Sachen Schnitttiefe

Die Forschenden sind nun daran, die Schnitttiefe und Schnelligkeit ihres Lasers weiter zu optimieren. Noch ist die Laser-Knochensäge deutlich langsamer als jene aus Metall: In einer Sekunde kann sie rund 0,4 mm³ abtragen, eine mechanische Säge 11 mm³, also über 20-mal mehr. Damit sei der Laser zwar noch zu langsam, aber er nähere sich erstmals der nötigen Tiefe.

„In weiteren Schritten müssen wir untersuchen, wie wir das System an die komplexere Situation im Körper anpassen können. Dann geht es auch darum, umliegendes Gewebe zu schonen“, erklärt Canbaz.

Die Arbeiten des Forschungsteams sind Teil des „Miracle“-Projekts, das innovative Technologien für die Knochenchirurgie entwickelt und von der Werner Siemens Stiftung finanziert wird. Die Entwicklungen gehören zudem zu den ersten Schritten des Innosuisse-Projekts „Laser-Blade“, einer Kollaboration mit dem Medizintechnikunternehmen Smith&Nephew.

Originalpublikation: Liu M et al. Influence of laser beam intensity profile on deep bone ablation in laser osteotomy. Sci Rep 2026 Feb 3;16(1):7101. doi: 10.1038/s41598-026-37117-6.