Rechnergestützte Entwicklung von Hüftprothesen
Die Wahl zwischen natürlichen oder synthetischen Biomaterialien hat den heutzutage geläufigen Knochen- und Gelenkersatz ermöglicht. Mit solchen Prothesenimplantaten konnten Tausende Patienten ihre Mobilität wiedererlangen und von ihren Leiden erlöst werden. Sie werden aber im allgemeinen immer noch aus Werkstoffen aus der technischen Praxis hergestellt. Da sie sowohl vom menschlichen Körper nicht abgestoßen werden als auch ausreichende mechanische Eigenschaften besitzen, um den erwarteten physiologischen Belastungen zu widerstehen, bieten sie eine wirksame Sofortlösung. Das europäische Projekt BIOGRAD hat den Einsatz funktionell gradierter Keramiken demonstriert, um die langfristige Leistung bei gleichzeitig verminderter Belastung auf diesen Hüftgelenkersatz zu verbessern. Durch Veränderung der Zusammensetzung von einem robusten an Zirkonoxid reichen Kern zu einer harten chemikalienresistenten und strapazierfähigen Oberflächenbeschichtung aus Aluminiumoxid konnte eine einmalige Kombination von Eigenschaften erreicht werden. Das besondere Interesse an diesen Materialien geht vor allem auf die Härte und die chemische Resistenz des Aluminiumoxids zurück, das für viele strukturelle Anwendungen zu spröde ist. Auf der anderen Seite gehört Zirkonoxid zu den robustesten Keramikwerkstoffen, das allerdings seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften im Beisein von Wasser und hohen Temperaturen nicht beibehält. Um die Tendenz von Keramiken, durch eine lokale Deformation des Kunststoffs plötzlich zu versagen, zu kompensieren, versuchten die italienischen Projektpartner, die optimale konische Kupplung zwischen Schaft und Oberschenkelkopf zu bestimmen. Finite-Element-Methoden wurden eingesetzt, um die Auswirkungen der sich verändernden Parameter wie Materialeigenschaften und Kontaktgeometrie auf die Entwicklung der Oberflächen-Scherspannungen im keramischen Oberschenkelkopf zu untersuchen. Diese numerischen Analysen beziehen die Grundsätze der Newtonschen Mechanik mit ein. Sie werden zur Modellierung und Animation des tatsächlichen Verhaltens des Oberschenkelkopfes in Verbindung mit der Hüftpfannenprothese im Becken des Patienten eingesetzt. Restspannungen, die sich an verschiedenen Stellen der komplett gradierten Keramikstruktur bilden, wurden in die nachfolgenden Schleif- und Montageprozesse eingeführt, um den gesamten Fertigungskreislauf zu simulieren. Die Ergebnisse machten deutlich, wie wichtig es ist, dass die Fixierung zwischen Kopf und Schaft resistent gegen den Drehmoment ist, der während des Gebrauchs der Prothese wahrscheinlich übertragen wird. Spezifische Definitionen der Betriebsbedingungen des funktionell geschliffenen Werkstoffes werden künftig zu überragenden mechanischen Eigenschaften und einer besseren Strapazierfähigkeit für Prothesenkomponenten beitragen.
