#14: Warum rosten Implantate?

Treffen sich eine Biologin, ein Maschinenbauer und ein Orthopäde – was erstmal wie der Einstieg eines Witzes unter Forschenden klingt, ist tatsächlich ein sehr erfolgreiches Dreiergespann bei uns an der Universität! Denn Prof. Thorsten Halle von der Fakultät für Maschinenbau, die Biologin Prof. Jessica Bertrand und der Orthopäde Prof. Christoph Lohmann forschen gemeinsam an neuen Werkstoffen für Implantate. In der neuen Folge des Podcast „Wissen, wann du willst“ spricht Lisa Baaske mit Prof. Halle und Prof. Bertrand darüber, wie es zu der Zusammenarbeit kam, was die Vorteile, aber vielleicht auch Probleme sind und warum es wichtig ist, Implantate zu verbessern.

Heute zu Gast

Prof. Dr.-Ing. Thorsten Halle ist Leiter des Lehrstuhls Metallische Werkstoffe am Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der Uni Magdeburg und Prof. Dr. Jessica Bertrand leitet das Forschungslabor der Orthopädischen Universitätsklinik. Gemeinsam mit Prof. Dr. Christoph Lohmann, Direktor der Orthopädischen Universitätsklinik, wollen sie in einer Arbeitsgruppe herausfinden, wie Endoprothesen im Körper wirken, insbesondere die Abriebpartikel, die täglich entstehen, wenn diese Implantate im menschlichen Organismus belastet werden. Eingebettet ist das ungewöhnliche Forschungsprojekt in das Promotionsprogramm MEMoRIAL, eine vom Europäischen Sozialfonds ESF geförderte Graduiertenschule. MEMoRIAL steht dabei für „Medical Engineering and Engineering Materials“. In diesem Programm werden internationale Promovierende in zwei besonders forschungsstarken ingenieurwissenschaftlichen Profillinien der Universität unterstützt: der Medizintechnik und den Materialwissenschaften. Ab dem Wintersemester wird es außerdem den neuen Master „Biomechanical Engineering“ geben, in dem sich Studierende für das Profil Endorprothetik entscheiden können.

Prof. Bertrand und Prof. Halle auf dem Campus (c) Hannah Theile Uni MagdeburgProf. Jessica Bertrand und Prof. Thorsten Halle forschen an neuen Materialien für Implantate (Foto: Hannah Theile / Uni Magdeburg)

 

 

Der Podcast zum Nachlesen 

 

Introstimme: Wissen, wann du willst. Der Podcast zur Forschung an der Uni Magdeburg.

Lisa Baaske: Treffen sich eine Biologin, ein Maschinenbauer und ein Orthopäde. Was erst mal wie der Einstieg eines Witzes unter Forschenden klingt, ist tatsächlich ein sehr erfolgreiches Dreiergespann bei uns an der Universität. Denn Professor Thorsten Halle von der Fakultät für Maschinenbau, die Biologin Professor Jessica Bertrand und der Orthopäde Professor Christoph Lohmann forschen bei uns gemeinsam an neuen Werkstoffen für Implantate. Das ist, zugegebenermaßen ziemlich ungewöhnlich, aber vielleicht auch deswegen so erfolgreich. Mein Name ist Lisa Baaske, ich arbeite bei der Pressestelle der Uni, und zu Gast ist heute einmal ein Duo des eigentlichen Trios, nämlich Professor Halle und Professor Bertrand. Wir sprechen darüber, wie es zu der Zusammenarbeit kam, was die Vorteile, aber vielleicht auch Probleme sind und warum es wichtig ist, Implantate zu verbessern. Herzlich willkommen an Sie beide.

Prof. Thorsten Halle: Hallo!

Prof. Jessica Bertrand: Hallo!

Lisa Baaske: Wie ich ja jetzt schon angekündigt habe, Sie arbeiten in einer Arbeitsgruppe zusammen, die eigentlich nicht so alltäglich ist. Und es geht bei Ihnen um Implantate. Was erforschen Sie denn genau?

Prof. Jessica Bertrand: Wir beschäftigen uns hauptsächlich mit Endoprothesen, die, wenn sie in den Körper eingebracht werden, Abrieb erzeugen und dann zu Entzündungen führen. Da gibt es unterschiedliche Materialien. Keramik wird häufig verwendet, aber auch Polyethylen kommt zum Einsatz. Unser Schwerpunkt liegt auf den metallischen Komponenten dieser Implantate.

Prof. Thorsten Halle: Was wir also im Wesentlichen machen wollen: Wir wollen verstehen, was sind die Mechanismen dahinter? Warum ist dieser Abrieb im weitesten Sinne schädlich? Wie können wir ihn vermeiden? Oder wenn wir ihn nicht vermeiden können, wie können wir ihn reduzieren? Wir wollen verstehen, was passiert genau an der Grenzfläche. Ich sage immer scherzhaft: Wir wollen die Elektroden behalten. Frau Bertrand möchte sie auch nicht haben, und das ist unsere Aufgabe, zuzusehen, wie wir an der Grenzfläche eben diese Mechanismen moderieren können, einstellen können, verstehen können und die Interaktion zwischen Material und biologischem Gewebe letztendlich in den Fokus unserer Forschung nehmen.

Lisa Baaske: Okay, also der gemeinsame Nenner ist, die Elektronen sind nicht erwünsch, quasi?

Prof. Thorsten Halle: Wir wollen sie behalten

Lisa Baaske: Richtig! lacht

Prof. Thorsten Halle: …und Frau Bertrand will sie nicht haben.

Lisa Baaske: Doch kein gemeinsamer Nenner. lacht Aber es geht um Elektroden. Okay. Wie kam es denn zu der ungewöhnlichen Zusammenarbeit?

Prof. Jessica Bertrand: Das hat eigentlich Professor Lohmann initiiert. Er hat bei seinen Operationen immer wieder festgestellt, dass Patienten häufig mit metallischen Implantaten große Osteolysen, also Knochenverlust, hatten und wollte das im Detail näher untersuchen. Als ich dann aus Münster nach Magdeburg kam, hat er mich so ein bisschen weiter beauftragt, das zu erforschen und hatte dann auch die Kooperation mit Herrn Professor Halle angestoßen. Und dann hatten wir uns aus dem IWF, den Herrn Dr. Döring eingeladen und dann auch eingestellt, der dieses Thema aus Ingenieurssicht näher bei uns bearbeiten konnte. Und er ist so ein bisschen die Schnittstelle zwischen uns.

Prof. Thorsten Halle: Genau, Herr Dr. Döring vom IFQ, also von der Fertigungstechnik, istletztendlich die Schnittstelle und wir haben das Ganze weitergeführt in einer von dem europäischen Strukturfonds geförderten Graduiertenschule. MEMoRIAL hieß die und da gab es also die Schnittmenge, die gezielt, also zwischen den Ingenieurwissenschaften und den Medizinern/Biologen, Doktoranden ausbildet. Eine der Doktorandinnen, die jetzt auch demnächst fertig wird, die Frau Herbster, war bei uns, und wir führen diese Themen, die wir dort definiert haben, gezielt weiter in unserer trilateralen Kooperation.

Lisa Baaske: Ja, tatsächlich wollte ich auf dieses Graduiertenkolleg später auch nochmal zu sprechen kommen. Jetzt haben Sie es aber schon angesprochen. Es geht darum, dass Sie interdisziplinär miteinander forschen: Medizintechnik und Werkstofftechnik?

Prof. Thorsten Halle: Ja, Medizintechnik oder Ingenieurwissenschaften im weitesten Sinne. So könnte man das definieren.

Lisa Baaske: Genau. Und was genau machen Sie da in diesem Graduiertenkolleg?

Prof. Thorsten Halle: In diesem Graduiertenkolleg haben wir mehr oder minder zwei große Module, Submodule, wo sich halt die Ingenieure mit den Biologen, mit den Medizinern auseinandersetzen, insbesondere im Bereich der Bildgebung, also CT, MRT. Das sind auch die Naturwissenschaftler, sehr, sehr stark eingebunden und auch sehr erfolgreich. Und eine zweite Säule, die eher auf die Materialwissenschaften abzielt, als Grenzdisziplin hin zu den Biologen, zu den Medizinern, um Interaktionen im oder am Körper zu erforschen, zu verstehen und gezielt einzustellen.

Lisa Baaske: Klingt sehr, sehr spannend und auch sehr wichtig, auf jeden Fall. Sie forschen eben jetzt sehr lange schon an Implantaten. Es ist offensichtlich eine Sache, die Sie in Ihrem Alltag viel beschäftigt. Was interessiert Sie denn persönlich an Implantaten? Ich kann mir vorstellen, dass Sie als Materialwissenschaftler und Sie als Biologin da eine unterschiedliche Sicht drauf haben.

Prof. Jessica Bertrand: Ganz generell ist es so, dass… irgendwann erwischt es jeden, irgendwann braucht jeder irgendein Implantat. Also ob es jetzt das Zahnimplantat ist, was vielleicht so das kleinste und gängigste ist, aber auch Knie oder Hüfte, erwischt doch viele Leute irgendwann im Laufe des Lebens. Und unserer Ansicht nach oder auch meiner Ansicht nach sollte es so sein, dass jeder das Implantat bekommt, was für ihn am besten ist, von der Biologie her zum Körper passt, weil manche Leute haben zum Beispiel Metallallergien, man kennt das so von Ohrstecker oder so. Aber es sollte auch möglichst langlebig sein, so dass man dieses Implantat, das man einmal eingebaut bekommt, möglichst lange behalten kann und keine Revision notwendig ist. Das ist das, was uns umtreibt oder mich zumindest.

Prof. Thorsten Halle: Genau. Also, dass wir versuchen wollen, die Langlebigkeit, die Resilienz solcher Implantate zu verbessern, und zwar von beiden Seiten des Wissenschaftsgebietes her. Frau Prof. Bertrand eher von dem Bereich der Biologie, der Orthopädie und bei uns halt die Materialien. Und da ist aus meiner Sicht noch relativ viel verschenktes Potenzial. Das heißt, dass man da noch mikrostrukturell was optimieren kann. Man kann die Zusammensetzungen optimieren, man kann die Prozesskette optimieren, man kann Fertigungsmechanismen oder Fertigungsverfahren anpassen, so dass hier wirklich die Langlebigkeit der Implantate deutlich erhöht werden kann, aus unserer Sicht. Und das ist aus meiner persönlichen Sicht ein bisher ungenutztes Potenzial und das versuchen wir zu heben.

Lisa Baaske: Als Sie gerade Allergien angesprochen haben, ich habe tatsächlich eine Nickelallergie. Also da sollte ich vielleicht ein bisschen drauf achten, wenn es irgendwann mal nötig ist bei mir.

Prof. Jessica Bertrand: Da scheiden sich die Geister, ob das, was wirklich auf der Haut passiert, auch im Körper stattfindet. Aber Nickel, das ist als generelles Problem erkannt worden und weitgehend aus den Implantatmaterialien aus den Legierungen rausgenommen worden.

Lisa Baaske: Okay, das klingt ja schon mal gut, dann weiß ich schon mal Bescheid für später. Frau Professor, man stellt sich ja vor, dass man so ein künstliches Hüftgelenk, wenn man dann die OP überstanden hat, dass man das für immer behalten wird und das jetzt ein Teil von einem bleiben wird auf ewig. Tatsächlich ist es aber so, dass Prothesen ausgetauscht werden müssen. Warum eigentlich? Und wie lange hält denn eine Prothese in der Regel?

Prof. Jessica Bertrand: Es ist tatsächlich so, dass so ein künstliches Gelenk nur im Optimalfall 15 bis 20 Jahre hält. Es kommt auch ein bisschen drauf an, wo es implantiert ist. Also ob jetzt Schulter, Hüfte, Knie, Daumengelenk oder Sprunggelenk hält tatsächlich nicht so lange wie Hüfte und Knie. Dazu kommt, dass die Leute, die ein Implantat bekommen, immer jünger werden. Da gibt es unterschiedliche Faktoren, die dazu beitragen. Und noch erschwerend kommt hinzu, dass die Leute aber auch immer älter werden. Das heißt, wenn man jetzt davon ausgeht, dass ein Patient mit 50 Jahren oder vielleicht sogar schon mit 40 das erste Knie-Implantat bekommt; wenn man dann 15 Jahre drauf rechnet, bleibt noch ein bisschen Lebenszeit übrig, zum Glück für den Patienten. Für das Implantat ist es allerdings schlecht, weil 15-20 Jahre ist man dann bei na ja, sagen wir mal 65/70 und dann hat man aber noch mal 20 Jahre. Das heißt zumindest einmal muss es revidiert werden. Und man kann sich vorstellen, bei jeder Revision wird ein Stückchen des Knochens mit weggenommen und man braucht ein immer größeres Implantat, so dass die Möglichkeit zu revidieren nicht unendlich ist.

Lisa Baaske: Verstehe, also ist es das Ziel, eigentlich ein Implantat zu entwickeln, was eben nicht nach 15 bis 20 Jahren ausgetauscht werden muss, damit es eben nicht immer wieder zu solchen OPs kommt?

Prof. Jessica Bertrand: Genau. Es sollte möglichst langlebig sein und die Nutzungsintensität verändert sich auch mit der Zeit. Also wenn man sich vorstellt, dass ein jetzt 50-Jähriger so ein Implantat eingesetzt bekommt. Der hat vielleicht die Ambition, noch Fußball zu spielen oder Skifahren zu gehen. Ein Bekannter von mir hat eine künstliche Hüfte, der möchte damit noch Marathon laufen. Ist die Frage, ob das der beste Ansatz ist. lacht Weil ein bisschen ist es natürlich schon so wie beim Auto: Wenn man viel fährt, fährt sich der Reifen schneller ab und so ist das mit den Implantaten im Prinzip auch. Also man muss einen sinnvollen Einsatz schaffen oder halt die Materialien an die Nutzungsanforderungen der Patienten anpassen, und da würden unsere modifizierten Implantatmaterialien oder verbesserten Implantatmaterialien wieder ins Spiel kommen.

Lisa Baaske: Es geht in Ihrer Forschung – ja irgendwie klar, wenn ein Werkstoffexperte, wie Sie Professor Halle, dabei ist –, viel um die Werkstoffe eben der sogenannten Endoprothesen, also darum, aus welchen Materialien die Implantate bestehen. Warum?

Prof. Thorsten Halle: Letztendlich gibt es verschiedenste Materialklassen, die auch eingesetzt werden, aus verschiedensten Gründen. Das hat mechanische Gründe, das hat Biokompatibilitätsgründe und das sind im Wesentlichen, Frau Bertrand hat es schon gesagt, es sind also Keramiken, Kunststoffe und natürlich metallische Werkstoffe. Natürlich liegt der Schwerpunkt unserer Forschungskooperation auf den metallischen Werkstoffen, was einfach an meinem Fachbereich letztendlich liegt. Und bei den metallischen Werkstoffen werden insbesondere sehr häufig, hat man vielleicht auch schon gehört, Titan und Titanlegierungen eingesetzt, werden Stähle eingesetzt. Ein großes Forschungsgebiet, insbesondere bei uns in der Gruppe sind Kobalt-Chrom oder Kobalt-Chrom-Legierungen, die dort eingesetzt werden. Das sind so die häufigsten Werkstoffe, die man im Bereich der Endoprothesen einsetzt, mal abgesehen vom den Dentalbereich, da gibt es dann durchaus noch andere Werkstoffe. Warum macht man das aus Metallen? Warum ist unser Fokus auf die metallischen Werkstoffe gerichtet? Letztendlich brauchen sie eine bestimmte Festigkeit. Das heißt also, ein solches Gelenk muss halt einen Marathon überstehen, letztendlich und nicht nur einen, sondern im Idealfall viele davon. Es soll also möglichst lange halten und es wirken durchaus Kräfte auch auf so ein Implantat. Wenn Sie sich also vorstellen: Ein künstliches Hüftgelenk oder ein Kniegelenk, dass der Patient dort dann mal unglücklich auftritt, stolpert oder ähnliches, dann kann man davon ausgehen, das wissen wir aus den Bewegungswissenschaften, dass so bis zum Zehnfachen des Körpergewichts auf ein solches Implantat wirkt. Und da besteht dann durchaus die Gefahr, dass es halt bricht oder ähnliches. Und das sollte nicht passieren, weil das ist dann für den Patienten mehr als schlecht und man möchte auch keinen erhöhten Abrieb haben. Man möchte nicht, dass Partikel des Zementes sich herauslösen, dass das Implantat sich lockert. Es besteht also durchaus die Gefahr, dass es mechanisch überlastet wird. Und deswegen werden insbesondere bei solchen Implantaten auch recht häufig metallische Werkstoffe eingesetzt und eben keine Kunststoffe, die in der einen oder anderen Biokompabilitätsrichtung durchaus Vorteile haben gegenüber metallischen Werkstoffen, aber von der mechanischen Belastung her das häufig nicht ertragen.

Lisa Baaske: Das klingt alles sehr, sehr komplex und man muss an viele, viele Sachen denken, offensichtlich. Bei ungefähr 5 % der Patientinnen und Patienten muss ja ein Implantat schon nach zehn Jahren gewechselt werden, also wenn es eben nicht gut läuft, sie es aber über 20 Jahre haben könnten. Eine der häufigsten Ursachen ist eben Korrosion, also Rosten. Wieso rosten denn Implantate im Körper?

Prof. Thorsten Halle: Ja, letztendlich ist das auch hier wieder, Sie sagten eben schon, ein sehr komplexer Mechanismus, weil Korrosion ist immer eine Systemeigenschaft. Das heißt das Ganze spielt hier auch sehr, sehr stark mit rein: Patienten, individuelle Eigenschaften und ähnliches. Naja, also sie wissen alle, dass Körperflüssigkeiten letztendlich salzhaltig sind, also Chlorid-Ionen enthalten und das mögen Metalle im Normalfall nicht so sonderlich. Dann kommt noch dazu, dass wir Mikrobewegungen haben, das heißt wir haben zwischen Kugel und Schaft, wenn wir uns mal so ein einfaches Implantat-Modell vorstellen, haben wir Mikrobewegungen, die dazu führen das hier Korrosionseigenschaften getriggert werden. Wir haben eine hypoxische Umgebung, das heißt, es bindet sich relativ wenig Sauerstoff. Das ändert wieder das Korrosionssystem. Wir haben eine schlechte Ausbildung von Passivierungseigenschaften. Bleiben wir mal im Bereich der Stähle. Dann ist es so, dass diese Stähle korrosionsgeschützt sind oder korrosionshemmend sind, indem sie eine für das menschliche Auge nicht sichtbare Passivschicht ausbilden. Das funktioniert allerdings nur wenn genügend Sauerstoff da ist. Und ich hatte eben schon gesagt, in hypoxischen Umgebungen ist er nicht da und das verkompliziert das ganze System. Und die Korrosion ist in der Tat eines der größeren Probleme, die wir versuchen müssen zu lösen beim längerfristigen Einsatz von Metallen im Körper.

Lisa Baaske: Das klingt ja auch irgendwie ein bisschen beängstigend, wenn man sich so vorstellt: Da rostet was in meinen Körper. Was genau hat das denn für einen Einfluss auf den Körper, wenn ein Implantat in ihm rostet? Haben Sie da ein Beispiel, Prof. Bertrand?

Prof. Jessica Bertrand: Also wie wir es ganz am Anfang schon gesagt hatten, Professor Halle möchte die Ionen behalten und ich möchte sie eigentlich nicht haben. Wenn jetzt so ein Ion sich aber durch, in Anführungsstrichen, Rosten aus diesem Implantat löst, kommt es natürlich auf den Werkstoff an. Bei den Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung kann Titan, Aluminium und Vanadium herausgelöst werden. Titan ist nicht so gut verträglich. Das kennt man vielleicht auch aus den Deosprays, wo Titan rausgenommen wurde. Aluminium und Vanadium wird auch nicht so gut toleriert. Kobalt hingegen aus diesen Kobalt-Chrom-Stählen wird als Spurenelement sogar für den Körper benötigt. Da gibt es das Kobalamin, was Kobalt bindet, deswegen heißt es auch so. Chrom wird wiederum gar nicht gut toleriert. Diese Schwermetall-Ionen, die führen am Ende dazu, dass sie zum Beispiel… Aufgrund ihrer Hydrathülle passen sie durch Kalzium-Kanäle, können diese blocken und führen dann zu oxidativen Stress in den Zellen. Also Stress kann man sich, glaube ich, merken, mag keiner. Mag die Zelle auch nicht. Die können aber auch Nervenbahnen blockieren, somit neurotoxisch wirken und zum Beispiel dazu führen, dass ein Koch, der ein Implantat stehen hat, was korrodiert, nicht mehr schmecken kann. Das ist natürlich schlecht, aber wenn man dieses Implantat herausnimmt, kann dieser Koch dann wieder schmecken. Also manche Faktoren sind reversibel, andere nicht. Also es kommt zu einer Vergrößerung des Herzens, es kommt zu Nierenschädigungen auf Dauer. Deswegen sollte man das schon vermeiden. Aber manche dieser Effekte durch eine Schwermetallvergiftung, durch rostende Implantate sind auch revidierbar, wenn man das Implantat austauscht.

Lisa Baaske: Und woran merkt man das? Also wenn ich mir vorstelle, ich habe ein Implantat und ich habe irgendwie Probleme und woran merkt dann der Arzt, dass es Probleme bei meinem Implantat gibt?

Prof. Jessica Bertrand: Man kann natürlich die Schwermetalle-Ionen im Blut, im Serum, messen und man würde dann auch auf dem Röntgenbild sehen, dass das Implantat sich gelockert hat. Also wenn es wirklich so schwerwiegend ist, dass man systemische Effekte hat, wie zum Beispiel neuronale Störungen, dann würde man auch sehen, dass das Implantat nicht mehr festsitzt. Man hätte aber wahrscheinlich auch Schmerzen an dem entsprechenden Gelenk.

Lisa Baaske: Also, das was einem eigentlich helfen soll, das Leben zu erleichtern, kann es einen manchmal auch erschweren. Aber daran arbeiten Sie ja, dass das nicht mehr so oft passiert. Sie fokussieren sich ja vor allem auf die Bekämpfung eben der Korrosion. Das machen nicht viele Arbeitsgruppen. Haben Sie vorher schon mal erzählt, warum nicht?

Prof. Jessica Bertrand: Die Korrosion von Implantaten, das ist tatsächlich noch gar nicht so lange bekannt, dass das ein Problem ist. Es gab eine Phase, wo wirklich Metall-Metall-Implantate implantiert wurden, weil man dachte, dass das eine gute Idee ist, hartes Metall auf Metall reiben zu lassen. Dass man weniger Abrieb hätte und die Patienten weniger Probleme hätten. Genau das Gegenteil war der Effekt, dass die Patienten am Ende tatsächlich viel mehr Probleme hatten, massiven Abrieb, massive Lockerung und diese Implantate relativ früh ausgetauscht werden mussten. Das heißt, zum einen ist dieses Problem noch gar nicht lange bekannt und die Kompetenz gibt es auch gar nicht an vielen Standorten. Das heißt, wir haben hier in Magdeburg wirklich die einzigartige Chance, die Kompetenz, die schon aus den Werkstoffwissenschaften vorhanden ist, mit der Kompetenz von Professor Lohmann, der sich wirklich seit Jahren mit Endoprothesen-Abrieb und aseptischer Lockerung und so beschäftigt, zusammenzubringen und mit mir, die dann wirklich diese biologischen Effekte nachvollziehen kann. Das heißt, hier ist eigentlich die ideale Konstellation, um das zu untersuchen.

Lisa Baaske: Tatsächlich ist ja interdisziplinär bei Ihnen das entscheidende Stichwort. Also Sie kommen, wie schon jetzt sehr oft erwähnt, aus sehr unterschiedlichen Fachrichtungen, die wahrscheinlich sonst nichts miteinander zu tun hätten. Wie kann man sich denn dann aber eine Zusammenarbeit vorstellen, wenn Maschinenbauer, Biologin und ja, eigentlich auch Orthopäde aufeinandertreffen?

Prof. Jessica Bertrand: Tatsächlich ist es so, dass Professor Lohmann im Operationssaal unterschiedliche Schadensfälle bei seinen Patienten beobachten kann. Da gibt es ganz unterschiedliche Schadensfälle, zum Beispiel die septische Lockerung. Das heißt, das Implantat hat einen Befall durch Bakterien zum Beispiel. Und hier würden wir uns gemeinsam mit den Ärzten oder auch mit den Mikrobiologen anschauen, welche Bakterien sitzen da. Wie kann man die mit Antibiotika-Therapie gut auflösen und welche Therapiemöglichkeiten gibt es? Oder gibt es auch antibakterielle Implantatmaterialien, zum Beispiel? Es gibt aber auch biomechanische Probleme. Das heißt, dass das Implantat entweder nicht optimal eingebaut wurde oder das Implantat an sich aufgrund der Belastung Schaden nimmt. Das sind wiederum Sachen, die wir uns mit den Werkstoffwissenschaftlern anschauen und auch hier Simulationen machen, wie zum Beispiel Schulter-Implantate eingeschlagen werden in den Patienten. Das kann man auch simulieren und auch das ist was, was wir interdisziplinär untersuchen. Aber einer unserer größten Themenbereiche ist natürlich die Korrosion, die wir immer wieder auch an unterschiedlichen Gelenken beobachten. Also nicht nur zum Beispiel an der Hüfte, sondern auch an Gelenken, die weniger belastet sind, wie zum Beispiel an der Schulter. Und hier versuchen wir auch, werkstoffseitig die Problematiken aufzulösen, indem wir die Implantatmaterialien modifizieren. Aber da kann Professor Halle bestimmt mehr zu sagen.

Prof. Thorsten Halle: Ja, also die Zusammenarbeit wird halt sehr, sehr stark, auch getrieben von dem Zugang zu durchaus komplexen Schadensfällen, die eben im Patienten von Herrn Professor Lohmann dann vorgefunden werden. Und wenn wir dann also eine solche werkstoffseitige Ursache beispielsweise vermuten, dann schauen wir uns das halt genauer an, also wir nehmen beispielsweise Steckverbindungen zwischen dem Konus und der Kugelkopf oder die mit dem Kopf eines solchen Implantates. Da treten sehr häufig Korrosionsmechanismen auf und das liegt unter anderem daran, dass man da klassischerweise einen sehr, sehr engen Spalt hat. Das heißt also, man hat eine Sauerstoffabreicherung, man hat diese Mikrobewegungen, von denen ich vorhin schon gesprochen habe und das ist dann der Auslöser für die Korrosion. Und unsere Fragestellung, unsere Zielstellung ist, das Ganze dann irgendwie zu systematisieren, zu verstehen, die dahinter liegenden Mechaniken zu verstehen, um solchen Schadensfällen vorzubeugen, indem wir das Material anpassen, indem wir beispielsweise die geometrischen Bedingungen anpassen. Wir machen also auch durchaus Versuche, Experimente, wir haben in der experimentellen Orthopädie, haben wir einen sogenannten Hüftgelenkssimulator stehen. Da werden also unsere modifizierten Prothesen letztendlich getestet. Und all das im Sinne des Patienten, Verstehen der Mechanismen, Abstellen der Ursachen, Erhöhen der Lebensdauer. So funktioniert das recht gut. Wir sind also wirklich von praktisch auftretenden Schadensfällen hier getrieben, in unserer Gruppe.

Lisa Baaske: Ok, also runtergebrochen: Professor Lohmann hat eine OP und muss ein Implantat entfernen und sieht: Okay, das wurde wahrscheinlich durch Korrosion ausgelöst. Und gibt es dann quasi an Sie weiter. Bekommen Sie dann auch das Implantat, was entfernt wurde und gucken Sie sich das an?

Prof. Thorsten Halle: Exakt, so ist das. Also, das heißt, wir schauen uns wirklich das Implantat an, um uns anzuschauen, wie hat sich beispielsweise die Oberfläche verändert? Findet man dort Spuren vor? Kann man dann mit Analytik, Werkstoffanalytik, sich das sehr genau anschauen und Rückschlüsse auf die Mechanismen ziehen, die immer allerdings eine Systemeigenschaft sind und deswegen müssen wir immer eng zusammenarbeiten mit den Biologen, um zu verstehen, was gibt es denn da für Wechselwirkungen mit dem umliegenden Gewebe.

Prof. Jessica Bertrand: Natürlich fragen wir den Patienten vorher, ob das für ihn okay ist, dass wir dieses Implantat untersuchen.

Lisa Baaske: Ja, für die Wissenschaft quasi, genau. Okay und dann treffen sie sich alle paar Monate und sprechen darüber?

Prof. Jessica Bertrand: Wir haben eigentlich regelmäßige Treffen, alle zwei Monate, wo wir uns unsere Ergebnisse gegenseitig vorstellen und dann interdisziplinär quasi die Ergebnisse diskutieren und dem anderen erklären, was man eigentlich sieht.

Prof. Thorsten Halle: Ja, ich habe in den letzten fünf, sechs Jahren, seit wir das so ungefähr machen, sehr viel gelernt über biologische Mechanismen, was dann in und an so einer Oberfläche passiert. Und vielleicht hat Frau Bertrand auch das eine oder andere über die Materialien mitgenommen.

Prof. Jessica Bertrand: Ja, Korngrenzen kenne ich jetzt, mechanische Messwerte kenne ich jetzt.

Prof. Thorsten Halle: Und ich kenne den Unterschied zwischen einem Osteoklast und einem Osteoplast. Das weiß nicht jeder Werkstoffwissenschaftler.

Lisa Baaske: Das weiß ich tatsächlich auch nicht. Was ist denn der Unterschied?

Prof. Thorsten Halle: Das eine sind knochenabbauende und das andere knochenaufbauende Zellen.

Prof. Jessica Bertrand: Da gibt es diesen schönen Merksatz: der Klast klaut und der Plast baut.

Lisa Baaske: Interessant. lacht Genau, das wäre im Prinzip auch die nächste Frage gewesen: Was haben Sie denn jetzt voneinander gelernt? Also quasi viele neue, interessante wissenschaftliche Begriffe. Und ich habe jetzt auch gelernt, dass es knochenabbauende Zellen offensichtlich gibt. Sehr interessant. Okay, was ist denn für Sie der größte Vorteil an Ihrer Arbeitsgruppe?

Prof. Thorsten Halle: Ein großer Vorteil ist in der Tat, dass wir durch die enge Zusammenarbeit in die jeweiligen anderen Fachbereiche einen sehr, sehr tiefen Einblick haben. Das heißt, wenn wir Fragestellungen identifiziert haben, dann ist es sehr häufig so, dass wir uns zunächst erst mal über unsere Fachbereiche hinaus mit den Fachbegriffen und dem Sprachgebrauch, der in der Medizin, in der Biologie durchaus anders ist, als es in den Ingenieurwissenschaften ist, beschäftigen. Und das hat eine Weile gedauert, müssen wir auch einfach mal zugeben, bis wir nicht mehr aneinander vorbeigeredet haben, sondern wirklich miteinander geredet haben. Dann mussten halt ein paar Dinge hinsichtlich Sprachgebrauch, wie man letztendlich umgeht mit einem lebendigen System… Das ist der Ingenieur und das war auch ich bisher nicht gewöhnt, dass man da noch eine Variable dazu bekommt, nämlich das lebendige System, den Patienten, und der sicherlich dann auch Rückwirkungen hat zum technischen System. Und das ist durchaus eine Herausforderung gewesen, die wir aber in den letzten fünf Jahren, wie ich finde, relativ gut mittlerweile gemeistert haben und jetzt wie gesagt, miteinander und nicht aneinander vorbeireden.

Prof. Jessica Bertrand: Das Wichtige ist wirklich, dass wir ganz, ganz viel lernen können. Also das, was zum Beispiel in der Automobilindustrie an Freiheitsgraden gerade noch toleriert wird, ist in der Implantatfertigung bei weitem überschritten. Also das, was an Normen besteht oder an Kennwerten vorgegeben wird. Das ist so weit gestreut bei Implantaten, dass wirklich die Leute aus der Fertigungstechnik sagen, das würden wir niemals tolerieren. Und ich glaube, gerade hier können wir ganz, ganz viel lernen. Und auch innerhalb dieser Norm die Materialien so zu verbessern, dass es für den Patienten zu einer Langlebigkeit kommt, dieser Implantate und halt einfach die Standzeit verlängert wird. Also ja, ich glaube wir können ganz, ganz viel voneinander mitnehmen.

Lisa Baaske: Ok, also viel voneinander lernen. Das klingt auf jeden Fall sehr schön. Vor allem auch zusammen irgendwie was verändern. Darum geht es ja auch. Ja, und dann sind wir tatsächlich auch schon am Schluss und damit bei einer klassischen Frage: Wie sieht denn die Zukunft für Sie aus? Was möchten Sie noch gemeinsam erreichen? Was ist jetzt in Zukunft geplant?

Prof. Thorsten Halle: Was wir natürlich stetig weiterentwickeln und fortführen, sind unsere wissenschaftlichen Arbeiten. Das heißt, wir sind dort immer bestrebt, auch weiterhin Projekte zu machen, unser Thema voranzutreiben, weil wir nicht nur glauben, sondern auch wissen, dass es durchaus relevant ist, auch für Patienten und für die Lebenswissenschaften und wir als Ingenieure aus meiner Sicht dazu relativ viel beitragen können, das zu verbessern. Und unsere Arbeitsgruppen sind so aufgestellt, dass die halt relativ eng zusammenarbeiten. Das heißt, wir haben gemeinsame Doktoranden, wir haben gemeinsame Hiwis, wir haben gemeinsame Forschungsthemen, die wir hier natürlich immer weiter vorantreiben. Wir haben jetzt auch einen neuen Masterstudiengang eingeführt, „Biomechanical Engineering“, in dem es unter anderem eine Vertiefungsrichtung gibt, die sich genau mit dieser Fragestellung auseinandersetzt: Welche Implantatmaterialien für welche Anwendungen aus der Sicht der Ingenieure, aber auch der Sicht der Mediziner und der Biologen, um genau hier an der Stelle auch junge Menschen ausbilden zu können, die dann mal in der Lage sind, das alles besser zu machen, als es momentan ist.

Prof. Jessica Bertrand: Des Weiteren wollen wir natürlich auch weiter Studierende ausbilden, neben dem Masterstudiengang, also auch eine weitere Perspektive anbieten können. Das heißt, wir wollen perspektivisch eine Graduiertenschule anbieten können, wo dann aber auch noch weitere Fachbereiche hinzukommen. Es besteht zum Beispiel auch eine Kooperation mit der Tribologie, das heißt wir wollen versuchen zu verstehen, wie denn die Gelenkschmierung in so einem Hüftimplantat funktioniert und ob man hier noch was verbessern kann. Aber es gibt auch Interaktionen zu anderen Arbeitsgruppen, die sich mit Exoskeletten beschäftigen, zu mathematischem Modeling und das ist etwas, was wir einfach über den ganzen Campus ausweiten wollen, weil es ganz, ganz viele Arbeitsgruppen gibt, die in ähnlichen Bereichen unterwegs sind. Und die wollen wir in einer größeren Gruppe, vielleicht auch in dieser Graduiertenschule oder in einem größeren Cluster zusammenbringen, so dass wir noch besser interdisziplinär zusammenarbeiten können.

Lisa Baaske: Sehr schön. Also habe ich mitgenommen, wer quasi bei Ihnen noch mit forschen möchte und auch Implantate verbessern will, der sollte sich im Wintersemester in Ihrem neuen Master einschreiben. Ansonsten vielen, vielen Dank, dass Sie da waren. Es war super, super spannend und sehr interessant. Aber jetzt zum Schluss sollte noch ein bisschen Eigenwerbung erlaubt sein. Wer nämlich noch mehr über die spannende Forschung zu den Prothesen erfahren will, der sollte am 11. Juni bei der Langen Nacht der Wissenschaft auf dem Campus vorbeikommen. Professor Halle wird dann nämlich eine Vorlesung zu dem Thema halten. Und natürlich gibt es auch eine ganze Menge andere spannende Programmpunkte. Wer aber nicht bis zum 11. Juni warten will, der kann auch noch mal in unserem Forschungsmagazin nachlesen, denn da gibt es auch einen spannenden Beitrag zu diesem Forschungsprojekt, über das wir eben gerade gesprochen haben. Bis dahin vielen Dank fürs Zuhören. Bleiben Sie gesund und schalten Sie gerne demnächst mal wieder ein.

Introstimme: Wissen, wann du willst. Der Podcast zur Forschung an der Uni Magdeburg.

Letzte Änderung: 16.05.2022 - Ansprechpartner: Webmaster