Numerische Simulation und biomimetische Designoptimierung keramischer Implantate (Forschungsgruppe BIO-HIP-KI)

Die Hüftoberflächenarthroplastik (HRA) ist die gelenkerhaltende Form des Hüftgelenkersatzes. Entscheidend für die langfristige Funktion der Implantate ist vor allem die Wahl der eingesetzten Materialien.

Eine keramische Oberfläche bietet gegenüber konventionellen Oberflächen (z. B. Metall oder Polyethylen) bedeutende Vorteile: geringe Abriebrate, hervorragende Biokompatibilität, hohe Härte und Verschleißfestigkeit, reduzierte Reibung sowie ein geringeres Risiko für Metallionenfreisetzung.

Keramische Gelenkoberflächen bei Hüftoberflächenarthroplastik können jedoch durch ihre hohe Steifigkeit gegenüber Metallen dazu führen, dass der umliegende Knochen weniger belastet wird. Langfristig kann dies den Abbau von Knochensubstanz begünstigen (Stress Shielding).

Die Lösungsidee ist die Entwicklung eines modulares Implantat-Konzept, das die Vorteile verschiedener Werkstoffe kombiniert. Die Gelenkoberfläche besteht aus Keramik und sorgt für eine langlebige sowie verschleißarme Gelenkbewegung. Die Verankerung im Knochen erfolgt über eine Titanstruktur, deren mechanische Eigenschaften denen des Knochens näherkommen. Dadurch kann die Belastung natürlicher auf den Knochen übertragen und das Risiko eines Knochenschwunds reduziert werden.

Das Projekt zielt auf die Entwicklung und Optimierung keramischer Implantate mithilfe numerischer Computersimulationen und einer KI. Dabei wird untersucht, wie sich verschiedene Implantat-Designs unter Belastung verhalten. Anschließend wird das Design so angepasst, dass es sich am natürlichen Knochen orientiert und die Kräfte möglichst natürlich überträgt (biomimetische Designoptimierung).

Das zugrundeliegende Vorhaben wird vom Freistaat Thüringen unter der Vorhabennummer 2026 VFE 0021 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE - Programm 2021-2027 Thüringen) kofinanziert.