KUNDENHERAUSFORDERUNG
Knochenzemente spielen bei der vertebralen Augmentation eine entscheidende Rolle. Bei diesem minimalinvasiven chirurgischen Eingriff injizieren Chirurgen ein Bindemittel in die Bruchstellen der Wirbelsäule, um Schmerzen zu lindern, die Stabilität der Wirbelsäule zu verbessern und — in manchen Fällen — die Länge wiederherzustellen. Mit dem Anstieg der osteoporosebedingten Frakturen durch eine zunehmend ältere Bevölkerung war die weltweite Nachfrage nach Knochenzementen noch nie so hoch.
Polymethylmethacrylat (PMMA) ist derzeit die bevorzugte Verbindung für die Herstellung von Knochenzementen zur Wirbelkörperaugmentation. PMMA ist ein Polymer, das in fester Form bioinert ist und bei der Wirbelkörperaugmentation zusammen mit einer Monomerflüssigkeit als Pulver injiziert wird. Beim Aushärten wird diese Mischung zu einem Feststoff mit hoher mechanischer Festigkeit.
In den letzten Jahren sind Bedenken hinsichtlich der Leistungsfähigkeit von PMMA-basierten Knochenzementen für die Wirbelkörperaugmentation aufgekommen. PMMA-Zemente sind sehr steif — vielleicht zu steif — und wurden bei Patienten mit angrenzenden Wirbelfrakturen in Verbindung gebracht. Darüber hinaus sind einige der für die Aushärtung verwendeten Flüssigkeitskomponenten toxisch, und beim Aushärtungsprozess entstehen hohe Temperaturen, die das umliegende Gewebe schädigen können. Kalziumphosphat (CaP) wurde aufgrund seiner Ungiftigkeit und seiner natürlichen Resorption in den Körper als alternatives Material erforscht. CaP ist jedoch ein sprödes Material und kann bei den natürlich auf die Wirbelsäule einwirkenden Biege- und Scherkräften brechen.
Beide Formulierungen sind für das Team der angewandten Materialwissenschaft an der Uppsala University in Schweden, das zur Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität gehört, nicht zufriedenstellend. Das 20-köpfige Team betreut eine Vielzahl von Studien zu Biomaterialien und konzentriert sich derzeit teilweise auf die Forschung im Bereich Knochenzemente.
„Unser ultimatives Forschungsziel ist es, neue Zementtypen zu identifizieren, welche die Festigkeit von PMMA und die Ungiftigkeit von Kalziumphosphat bieten und dabei nicht dieselben Mängel aufweisen“, sagt Dr. Cecilia Persson, Projektmanagerin und Studentenbetreuerin des Teams für angewandte Materialwissenschaft an der Uppsala University. „Bewegungen der Wirbelsäule sind im Testlabor nur schwer nachzubilden, und unsere größte Herausforderung ist der Realismus. Wir evaluieren Zemente derzeit hauptsächlich unter quasistatischer Kompression, aber wir wollen auch einstufen, wie sich eine Formulierung langfristig verhält.“
MTS-LÖSUNG
Zur Unterstützung ihrer Knochenzement-Forschung hat die Uppsala University in Zusammenarbeit mit der MTS Systems Corporation das axiale servohydraulische Bionix®-Prüfsystem Modell 858 von MTS in das Prüflabor der angewandten Materialwissenschaft integriert.
„Ich habe schon früher mit Testgeräten von MTS gearbeitet und sie als genau und zuverlässig empfunden; daher hielt ich sie für eine gute Option für die Uppsala University“, so Persson. „Wir wussten, dass viele Millionen Zyklen erforderlich sein würden, um jede brauchbare Formulierung gründlich zu evaluieren, daher war die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit des Prüfsystems der Schlüssel zu unserer Entscheidung für MTS. Wir sind sowohl mit der Zuverlässigkeit unseres Prüfsystems als auch mit dem Niveau des technischen Supports, den wir von MTS erhalten, sehr zufrieden.“
Das Bionix-System von MTS führt sowohl statische als auch dynamische Axialtests bei Belastungen bis zu 25 kN durch. Die Lösung umfasst auch FlexTest®-Steuerungen, ein SilentFlo™-Hydraulikaggregat und die MultiPurpose TestWare®-Software von MTS.
In Kombination mit dem Umweltsimulationssystem MTS Bionix EnviroBath ermöglicht die Lösung von MTS Bionix dem Team von Applied Materials Science die gleichzeitige Belastung eines Knochenzements in einem Kochsalzbad, das auf konstanter menschlicher Körpertemperatur gehalten wird. Das Endergebnis ist eine präzise Simulation der Kräfte und Bedingungen, die ein Zement letztendlich in einem Patienten erfahren muss, lange nachdem die Wirbelkörperaugmentation abgeschlossen ist.
„Das System von MTS ermöglicht die Bewertung der Zementeigenschaften im Laufe der Zeit und simuliert die Belastungen, denen eine Person über einen Zeitraum von mehreren Jahren ausgesetzt ist“, so Persson. „Es wird in Zukunft auch aufwändigere Tests ermöglichen, da es sehr flexibel ist.“
KUNDENVORTEILE
Laut Persson kann sich ihr Team dank der Bionix-Testlösung von MTS mehr auf neue Formulierungen konzentrieren und muss sich weniger um die Leistung des Prüfsystems oder die Gültigkeit der Testdaten kümmern.
„Wir sind zuversichtlich, dass wir eine genaue Momentaufnahme davon erhalten, wie sich ein Knochenzement in einer tatsächlichen Person, die ein aktives Leben führt, verhalten wird“, sagt sie. „Unser Testaufbau ist auch ziemlich flexibel, sodass wir die Freiheit haben, kreativ zu werden und Möglichkeiten in verschiedene Richtungen zu erkunden. Wir haben in den letzten Monaten beachtliche Fortschritte gemacht, und Hardware, Software und Support von MTS haben einen großen Anteil an unseren Erfolgen.“
Persson gibt zu, dass ihr Team zwar noch viel Arbeit vor sich hat, um den nächsten Knochenzement für die Wirbelkörperaugmentation zu finden, aber sie fühlt sich gut aufgestellt, um dieses Ziel letztendlich zu erreichen.
„Aus Sicht der Forschung gibt es noch viel zu tun“, so Persson. „Aber wir kommen einer praktikablen Lösung jeden Tag näher, und ich habe das Gefühl, dass wir die Ressourcen, die Technologie und das Fachwissen haben, die nötig sind, um so schnell und effizient wie möglich dorthin zu gelangen.“
