Krankenhaus in Madrid entwickelt erste Knochenprothese aus Metamaterial und verhindert Amputation

Das Krankenhaus Gregorio Marañón in Madrid hat eine Bein-Amputation verhindern können. Möglich wurde das durch ein neuartiges, maßgeschneidertes Knochenimplantat für einen 38-jährigen Patienten mit einem Sarkom im Schienbein. Es handelt sich um die erste personalisierte Metamaterial-Prothese dieser Art. Die Technologie stammt aus der Luft- und Raumfahrt und bildet die mechanischen Eigenschaften von Knochen nach, mithilfe einer Titanstruktur aus dem 3D-Drucker.

Gemeinsam mit Ingenieurinnen und Ingenieuren der Polytechnischen Universität Madrid (UPM) entwickelt, besteht die Prothese aus einem Netz millimetergroßer Titanstrukturen, das die Belastung ähnlich wie Knochengewebe verteilt. Das Implantat ermöglicht, dass Bein und Kniegelenk des Patienten erhalten bleiben. Eine Amputation ließ sich so vermeiden.

Prothese imitiert Knochenstruktur

Im Unterschied zu konventionellen Prothesen ersetzt dieses Implantat den Knochen nicht durch ein massives Teil, sondern ahmt seine Struktur und Belastbarkeit mithilfe eines Geflechts aus dünnen Titanstäben nach, das die Kräfte ähnlich wie das natürliche Knochengewebe verteilt.

Die Konstruktion erleichtert es, dass der Knochen des Patienten in die Prothese hineinwächst und sie integriert. Dadurch sinkt das Risiko für Abstoßungen und Komplikationen. Weil das Implantat im 3D-Druck entsteht und auf jede Patientin und jeden Patienten zugeschnitten ist, verkürzt sich die Operationszeit fast um die Hälfte.

Das Implantat wiegt nur 300 Gramm. Simulationsrechnungen zeigen jedoch, dass es mehr als 500 Kilogramm tragen kann – herkömmliche Prothesen bringen mehrere Kilogramm auf die Waage und halten meist nur 100 bis 150 Kilogramm aus.

Implantat für jeden Patienten maßgeschneidert

Pierre Chazel, 38 Jahre alt, litt an einem hochgradigen Knochensarkom im Schienbein. Nach einer Infektion und einem massiven Verlust an Knochendichte konnte sein Bein eine konventionelle Prothese nicht mehr tragen. Das Ärzteteam entschied sich deshalb für ein Implantat, das exakt seiner Anatomie entspricht.

Auf Grundlage der radiologischen Aufnahmen erstellten die Forschenden einen digitalen Zwilling des gesunden Beins und simulierten die Kräfte, die auf das Schienbein wirken, wenn der Patient geht, Treppen steigt oder stolpert. Aus diesen Daten entwickelten sie die innere Struktur der Prothese und platzierten die Schrauben dort, wo die Knochensubstanz am besten ist. So ließ sich der Eingriff mit millimetergenauer Präzision planen.

Ein Jahr nach der Operation kann der Patient wieder laufen. Nach fast zwei Jahren ohne Belastung des Beins sagt er, dass er nun endlich seine Beweglichkeit zurückzugewinnen beginnt. Das Krankenhaus Gregorio Marañón hat bereits eine zweite ähnliche Operation durchgeführt und bereitet zwei weitere personalisierte Implantate vor, eines für das Handgelenk und eines für das Brustbein. Ziel ist es, diese Technologie zu verbreiten und Lösungen der hochpersonalisierten Medizin im öffentlichen Gesundheitswesen anbieten zu können.

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