Ultraschallschweißen BoneWelding: Knochen schweißen statt schrauben

„Schweißen“ statt Schrauben ist eine neue Methode, um Knochenbrüche zu heilen. Die Idee stammt ursprünglich aus der Uhrenindustrie, wurde weiterentwickelt für Holzmöbel und macht seinen Weg in der Medizin.

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Eine neu entwickelte Technologie vereinfacht chirurgische Eingriffe. Der Chirurg passt dabei eine gelochte, biologisch abbaubare Platte an den Knochen an, bohrt ein Loch und fügt einen biologisch abbaubaren Pin (Stift) ein. Mit speziellem Ultraschall verflüssigt sich der Pin und dringt tief in die Knochenstruktur ein, in Hohlräume, die für eine Schraube nicht erreichbar wären.

Das Verfahren erzielt eine grosse mechanische Stabilität und höhere Festigkeit als konventionelle Schrauben-Platten-Systeme. Die Technik beschleunigt auch den Eingriff, weil das aufwändige Gewindeschrauben entfällt. Zudem ist keine zweite Operation zum Entfernen des Fixierungsmaterials mehr nötig.

Verbindungstechnik aus der Industrie

Der Ursprung der Methode „Knochen schweissen“ ist eine Verbindungstechnik der Holzindustrie, für welche Schweizer Forscher einen Technologie-Preis erhielten. Statt zu schrauben, drückten sie einen Kunststoffstift ins Holz. Der Thermoplast verflüssigte sich, drang in die Poren ein und schuf im Nu eine feste Verbindung.

Die Ingenieure der Firma WoodWelding (http://www.woodwelding.com/download/TECHNOLOGY_PROCESS_d.pdf) hatten die Idee, das Prinzip auch am Knochen beziehungsweise in der Humanmedizin anzuwenden. Biomechaniker der Uni Bern und Zürich erarbeiteten Grundlagen und klärten Risiken ab.

Grosses Potential

Erste Lizenznehmerin der Methode ist die KLS-Martin SA, Medizintechnik in Deutschland. Die erste Anwendung der patentierten Technik ist seit Ende 2005 in Amerika und Europa für die Gesichts- und Schädelchirurgie zugelassen.

Die ersten Patienten waren Kleinkinder, die an einer Schädelmissbildung litten (zu frühes Verwachsen der Schädelnähte). Unterdessen wird das System (SonicWeldRx) bereits auch in der Unfallchirurgie des Schädels (z.B. Frakturen der Gesichtsknochen) angewendet.

In Zukunft soll die Methode nicht nur bei Frakturen am Kopf, sondern auch beim Ersatz von Gelenken, in der Zahnmedizin und Sportmedizin eingesetzt werden.

Die Materialforschung ist nun gefordert: Die Technik hat riesiges Potential, doch für die Anwendung in auch schubbelasteten Bereichen (z.B. Unterkiefer oder Arm- und Beinbrüche) sind die heutzutage gut verträglichen biologisch abbaubaren Materialien (Polymere aus Milchsäure, die im Körper innert Wochen zu Wasser und Kohlendioxid

abgebaut werden) mechanisch noch zuwenig stabil.

Was Holzmöbel und Knochen verbindet

Die WoodWelding-Idee nutzt Hochleistungs-Ultraschall als Energiequelle, um zwei Teile miteinander zu verbinden. Die Technologie nutzt den Ultraschall, um einen Kunststoff-Stift, der ins Material gedrückt wird, in Schwingung zu versetzen. Die Schwingungen erzeugen an lokalen Kontaktpunkten eine Scherung: der Thermoplast verflüssigt sich und dringt in die Poren ein. Die sofortige Erstarrung des Materials bewirkt in wenigen Sekunden eine feste Verbindung. Das Verfahren ist einfach anzuwenden und bringt stabile Verbindungen, die mechanisch fest und extrem belastbar sind.

Vom Holz zum Knochen

Was für poröses Holz Sinn macht, könnte ebenso gut im Knochen mit seinen winzigen Hohlräumen wirken, sagten sich die Ingenieure von WoodWelding und nahmen Kontakt auf mit dem Forschungszentrum für orthopädische Chirurgie der medizinischen Fakultät. Hier fanden sie in der Person von Stephen Ferguson, Leiter Division Biomechanik, den entsprechenden Partner.

„Schweißen“ im Körper

Die neu entwickelte Technologie vereinfacht und beschleunigt chirurgische Eingriffe. Um Knochenbrüche zu heilen, müssen Knochenfragmente mit Hilfe von Implantaten stabil fixiert werden. Heute werden dazu Platten und Schrauben aus Titan benutzt, die fest mit kortikalem Knochen verbunden werden müssen.

Diese harte, elfenbeinfarbene Knochenmasse macht rund 80 % des menschlichen Skeletts aus. Die übrigen 20 % bestehen aus schaumartigem, porösem Knochen von geringerer Dichte. In diesem Knochen lassen sich Implantate kaum verankern, und auch nicht in Knochen, die im Alter durch Osteoporose geschwächt sind.

Hier kommen die Stärken des BoneWelding-Verfahrens voll zum Tragen. Die polymeren Implantate bilden nach dem Einbringen durch Ultraschall sofort eine dreidimensionale feste Verankerung im Knochen. Das aus langkettigen Milchsäure-Molekülen bestehende Polymer ist im Körper vollständig abbaubar, garantiert aber solange genügend Stärke und Festigkeit, bis der Knochen wieder zusammengewachsen ist.

Noch ein Vorteil: die zweite Operation zum Entfernen der Schrauben ist nicht mehr nötig. Als erste orperieren heute Gesichts- und Schädelchirurgen mit diesem Verfahren und zeigen, dass die neue Technologie auch unter anatomisch schwierigsten Bedingungen funktioniert.

Bone-Welding hat noch weiteres Potential, nicht nur bei Frakturen am Kopf, sondern auch beim Ersatz von Gelenken, in der Zahnmedizin sowie als Fixierung in der Sportmedizin. Die Zukunft sieht Ferguson in Implantaten, die nicht unbedingt kreisförmig sind wie Schrauben; Dreiecke oder Quadrate wären auch denkbar.

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