KUNDENHERAUSFORDERUNG
Das Implant Performance Lab befindet sich im Orthopaedic Hospital und ist dem Department of Orthopaedic Surgery der University of California Los Angeles (UCLA) angeschlossen; es bietet Forschung und Ausbildung auf dem Gebiet der orthopädischen Implantat-Biomechanik. Die Gruppe ist spezialisiert auf das Verständnis und die Simulation der In-vivo-Performance von orthopädischen Implantaten, indem sie die Schlüsselbeziehungen zwischen der Biomechanik der Implantate, den chirurgischen Techniken und dem klinischen Ergebnis identifiziert und Modelle zur Untersuchung dieser Wechselwirkungen erstellt. Das Team setzt die Geräte den Kräften und Momenten aus, denen sie im klinischen Einsatz ausgesetzt sein werden, mit dem Ziel, die klinische Leistung genau vorherzusagen.
Die Implantatentwickler führen eine Vielzahl von Festigkeits-, Ermüdungs- und Verschleißtests durch, um die vorhergesagte Leistung des Geräts zu verstehen und einzustufen. Diese Ergebnisse werden oft Teil der Informationen, die während des behördlichen Zulassungsverfahrens eingereicht werden.
„Diese Tests sind unerlässlich, um ein Gerät auf den Markt zu bringen; aber diese Art von Tests muss ständig aktualisiert und verbessert werden, um sicherzustellen, dass das Gerät im Laufe der Zeit frei von anderen Problemen bleibt“, erklärt Sophia Sangiorgio, PhD, Implant Performance Lab. „Bei einer Hüfttotalendoprothese zum Beispiel war in den 1970er Jahren ein Ermüdungsbruch des Femurschaftes relativ häufig. Daher werden Femurschäfte heute so hergestellt, dass sie eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Ermüdungsbruch aufweisen.
Im Laufe der Jahre sind jedoch die Erwartungen der Patienten und das Aktivitätsniveau gestiegen, was zu anderen Arten von Implantatversagen führt, darunter z. B. Lockerung oder Dislokation, was für den Patienten ebenso katastrophal ist wie ein Schaftbruch“, fügt Sangiorgio hinzu. „Wir konzentrieren uns auf Szenarien wie dieses, um Chirurgen und Geräteentwicklern zu helfen, die Ergebnisse für Patienten zu verbessern.“
Das Implant Performance Lab ist ein Bestandteil des J. Vernon Luck Orthopaedic Research Center am Orthopaedic Hospital, das eine Reihe von Laboren umfasst, die sich auf verschiedene Aspekte der orthopädischen Forschung spezialisiert haben. Dazu gehören die Tribologie von Lageroberflächen, die Analyse von Verschleißpartikeln, die Analyse von Implantatrückholungen, die Biomechanik der Heilung von Knochen und Bindegewebe sowie die Computermodellierung. Laut Eddie Ebramzadeh, PhD und Leiter des Implant Performance Lab, bietet die mechanische Prüfung mehrere Vorteile gegenüber anderen Ansätzen zur Beurteilung der Implantatleistung.
„Tiere sind zu klein, die Evaluierung von Prototypen an Patienten ist nicht angemessen, und es ist oft schwierig, mit computergestützten Modellen die hochkomplexen biologischen Umgebungen des menschlichen Bewegungsapparates nachzubilden“, so Ebramzadeh. „Aber die mechanische Modellierung ist ideal für unsere Arbeit, denn im Körper interagieren Knochen, Muskeln und Gewebe auf mechanische Art und Weise. Der Erfolg dieses Ansatzes hängt jedoch davon ab, wie genau und reproduzierbar wir unsere mechanischen Tests gestalten und durchführen können.“
MTS-LÖSUNG
Das Implant Performance Lab verwendet eine Vielzahl an Lastrahmen, Testsoftware und Kontrollsystemen von MTS zur Unterstützung seiner biomechanischen Tests. Orthopädische Geräte, die sich in der Entwicklung befinden, werden entweder in synthetische Knochen oder in Leichenkonstrukte implantiert, die in den Prüfsystemen dann mit speziell entworfenen Vorrichtungen montiert und physiologischen Belastungen und Bewegungen ausgesetzt werden — manchmal über Tausende oder sogar Millionen von Zyklen.
Die Forschung des Teams berührt praktisch alle Bereiche des menschlichen Bewegungsapparats, einschließlich der Hüft-, Knie- und Sprunggelenke sowie der Wirbelsäule, des Oberschenkelknochens, des Schienbeins, des Ellbogens und der Hand.
Derzeit unterstützen fünf mechanische Teststationen ein dichtes Experimentierprogramm, darunter zwei einachsige Belastungsrahmen, von denen einer zu einem benutzerdefinierten Verschleißsimulator für die Bandscheibenarthroplastik umgebaut wurde, sowie ein Fretting-Verschleißsimulator zur Modellierung von Mikrobewegungen an den Schnittstellen der Implantatfixierung. Zur Beurteilung der Fixierung und Stabilität von Endoprothesen für Hüfte, Knie und Wirbelsäule wird ein biaxialer Lastrahmen verwendet. Das biaxiale System wird zum Aufbringen von Torsions- und Axiallasten verwendet, und die kundenspezifischen Vorrichtungen ermöglichen das Aufbringen von Biegemomenten und anderen komplexen physiologischen Belastungsprotokollen, die für jede anatomische Stelle spezifisch sind.
Das Labor ist außerdem mit einem Simulator für Wirbelsäulenverschleiß von MTS mit sechs Stationen und einem Wirbelsäulen-Kinematik-Prüfsystem von MTS ausgestattet, das Simulationen in vollen acht Freiheitsgraden ermöglicht. Diese Systeme werden verwendet, um verschiedene Designs von posterioren dynamischen Stabilisierungsvorrichtungen für die Lendenwirbelsäule zu bewerten. Kürzlich haben die Forscher verschiedene chirurgische Techniken zur Korrektur einer Wirbelsäulendeformation bei Jugendlichen, einem komplexen biomechanischen Problem, untersucht.
„Unsere mechanische Testausrüstung gibt uns das Vertrauen in unsere Fähigkeit, in-vivo- und chirurgische Bedingungen für viele Gelenkersatzimplantate und Frakturfixierungsvorrichtungen genau und reproduzierbar zu simulieren“, sagte Sangiorgio.
KUNDENVORTEILE
Laut Ebramzadeh passen die aktuellen mechanischen Testmöglichkeiten seines Teams gut zu dem Schwerpunkt des Labors, alltägliche Probleme zu lösen, die für die orthopädische Gemeinschaft von unmittelbarem Interesse sind.
„Unsere gute Ausstattung unterstützt unseren Schwerpunkt auf die praktische klinische Anwendung“, sagt Ebramzadeh. „Dank unserer Fähigkeiten können wir die Leistung von Implantaten in einer Weise bewerten, die den orthopädischen Chirurgen und ihren Patienten am besten dient.
„In Kombination mit dem erfahrenen Team von Ingenieuren, Biologen und Chirurgen, die im Luck Research Center tätig sind, sind wir in der Lage, eine Forschung zu betreiben, die für die orthopädische Gemeinschaft wertvoll ist“, so Ebramzadeh weiter. „Wir haben uns den Ruf erworben, Testdaten zu liefern, die in hohem Maße vorhersagen, wie sich ein Implantat während seiner Funktionsdauer verhalten wird.“
Das Implant Performance Lab ist auch ein begehrter Praktikumsplatz für Studenten der Ingenieurwissenschaften aus dem Großraum Los Angeles geworden. Sangiorgio führt diesen Reiz auf den translationalen Charakter der Arbeit zurück.
„Die Studenten haben die Möglichkeit, mit der neuesten orthopädischen Technologie zu arbeiten und realistische, praktische Erfahrungen zu sammeln, die in Ingenieurprogrammen, die sich hauptsächlich auf die Theorie konzentrieren, nicht möglich sind“, so Sangiorgio. „Es ist leicht ersichtlich, wie unsere Forschung die Lebensqualität der Patienten verbessern kann, und das macht die Arbeit für alle Beteiligten sowohl spannend als auch sinnvoll.“
