Projekt „Sägen ohne Schäden“: Knochensäge mit neuartiger Kühlung

WissenschaftlerInnen der Leibniz Universität arbeiten an einem Werkzeug, das Gewebeschädigungen und Infektionen bei Implantat-Operationen verhindern soll.

Eine am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover (LUH) entwickelte Knochensäge mit neuartiger, innenliegender Kühlung soll Infektionen und Gewebeschäden bei Operationen verhindern, vermeldet das IFW.

Zahlreiche chirurgische Eingriffe, etwa die Implantation von Knie- und Hüftgelenken, erfordern den Einsatz oszillierender Knochensägen. Nachoperative Misserfolge entstehen häufig durch thermisch ausgelöste Gewebeschädigungen, die durch die Wärmeentwicklung während des Zerspanprozesses bei der Operation entstehen. Diesem Problem wird derzeit mit sequentiellem Arbeiten sowie einer von außen zugeführten Kühlung mit Kochsalzlösung begegnet. Dabei steigt jedoch das Risiko einer Infektion, berichten die Forschenden.

Das Projekt „Sägen ohne Schäden“ am IFW – aus der Biomedizinforschung und -technik, einem der Forschungsschwerpunkte der Leibniz Universität – hat das Ziel, die Risiken einer Gewebeschädigung sowie einer Infektion zu senken. „Wir entwickeln mithilfe der additiven Fertigung ein Werkzeug mit innenliegenden geschlossenen Kühlkanälen“, erläutert Projektmitarbeiterin Sarah Busemann.

Wie jede Operation birgt auch die Implantation einer Endoprothese Risiken. Neben allgemeinen Risiken wie Blutungen und Thrombosen kann es bei einer solchen Operation auch zu einer postoperativen Lockerung des Implantats kommen, beispielsweise durch Infektionen oder so genannten Osteonekrosen, dem Absterben von Knochenabschnitten, erklären die WischenschaftlerInnen. Diese Komplikationen können durch den spanenden Sägeprozess entstehen, der notwendig ist, um erkranktes oder störendes Knochenmaterial zu entfernen.

“Zum Einsatz kommen handgeführte, oszillierende Knochensägen. Die bei der Reibung zwischen Knochen und Sägeblatt entstehende Wärme überschreitet dabei den physiologisch unkritischen Bereich (> 42 Grad Celsius) und führt somit zu Schäden im Gewebe. Die gängigen Methoden der Reduktion der thermischen Belastung – sequentielles Arbeiten und von außen zugeführte Kühlung mittels Kochsalzlösung – erhöhen das Risiko einer Infektion. Darüber hinaus reichen diese Methoden nicht aus, um die Gefahr einer thermisch ausgelösten Osteonekrose auszuschließen”, erklärt das IFW die Problematik.

Bislang habe es aus technologischer Sicht keine Möglichkeit gegeben, die sehr dünnen, konventionell verwendeten Sägeblätter (0,9 bis 1,5 Millimeter) mit einem innenliegenden Kühlkanalsystem auszustatten. Inzwischen biete aber die Technologie des Metall-Laserschmelzens die Möglichkeit, nahezu jede Geometrie zu fertigen, heißt es weiter. Hier setze das Projekt „Sägen ohne Schäden“ an.

Gemeinsam mit den Industriepartnern Bionic Production GmbH und Gebr. Brasseler GmbH werde die additive Fertigungstechnologie eingesetzt, um Sägeblätter mit innenliegenden geschlossenen Kühlkanälen zu entwickeln und zu realisieren.

Versuche an Kunstknochen mit konventionellen Sägeblättern zeigten, dass es partiell zu Temperaturen von über 100 Grad Celsius 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“, sagt Sarah Busemann. In weiteren Simulationen und Einsatzversuchen der Sägeblätter werde nun in Zusammenarbeit mit den Partnern das „optimale“ Sägeblatt mit der erforderlichen mechanischen Stabilität und der notwendigen Kühlleistung entwickelt.