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Fragestellung: Die Press-Fit Verankerung künstlicher Hüftpfannen gehört zu den häufigsten Verankerungskonzepten. Dennoch kann es zum lockerungsbedingten Versagen der Implantate kommen, besonders wenn sich der umliegende Knochen durch Spannungsabschirmungen zurückbildet (stress-shielding). Durch den Einsatz von Pfannenschalen aus isoelastischem Material könnte dieser Knochenatrophie begegnet werden.

Ziel dieser Arbeit war es, zu ermitteln, ob aus biomechanischer Sicht eine modulare Pfannenschale aus Polyetheretherketon (PEEK) eine Alternative zur konventionellen Titanschale (TiAl6V4) darstellt. Hierzu wurde eine 3D Finite-Elemente-Analyse durchgeführt, in welcher die Implantation der Hüftpfannen simuliert wurde.

Methodik: Es wurde die Implantation eines modularen Pfannensystems, bestehend aus einer Schale aus PEEK bzw. TiAl6V4 und einem Pfanneneinsatz, in einen Kunstknochen-Block (Fa. Sawbones, Malmö, Schweden) simuliert. Für die Kavität wurde eine zwei-Punkt-Klemmung gewählt, um eine worst-case Verankerung abzubilden. Es wurden fünf Materialien verwendet, wobei Titan (Schale) und Keramik (Pfanneneinsatz) als linear-elastisches Material und Polyethylen (PE, Pfanneneinsatz) bzw. PEEK (Schale) als plastisches Material definiert wurden. Der Kunstknochen (Sawbone 20 pcf) wurde als crushable Foam simuliert. Kontakte bestanden zwischen dem Kunstknochen und der Schale (μ = 0,5) sowie zwischen der Schale und dem Pfanneneinsatz (μ = 0,16). Insgesamt war das FE-Modell aus 23.816 linearen Hexaeder-Elementen aufgebaut. Die Implantation wurde in vier Schritten simuliert: 1. Setzen der Schale. 2. Entlastung der Schale. 3. Anfahren des Pfanneneinsatzes bis zum Kontakt mit der Schale. 4. Setzen des Pfanneneinsatzes mit einer definierten Setzkraft (50 N - 500 N). Das Modell wurde hinsichtlich der Deformationen von Schale und Pfanneneinsatz, Hauptspannungen und der Position des Drehzentrums, ausgewertet.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die max. Deformation der PEEK-Schale lag mit 581 μm (Setzen) und 470 μm (Entlastung) deutlich über der der Titanschale (42 μm und 21 μm). Dadurch wurden auch die Pfanneneinsätze in Verbindung mit der PEEK-Schale stärker deformiert. Teilweise lagen die Deformationen erheblich über der üblichen Clearance von 100 μm (Tabelle 1 [Tab. 1]).

Die Hauptspannungen (max. 30 MPa) in den keramischen Pfanneneinsätzen lagen deutlich unter der Biegefestigkeit (948 MPa) der Keramik und waren daher als unkritisch einzustufen. Die Position des Drehzentrums lag bis zu dreimal tiefer (1,1 mm vs. 3,2 mm), wenn die Titanschale verwendet wurde.

Zusammenfassend zeigt die untersuchte PEEK-Schale im Vergleich zur baugleichen Titanschale hohe Deformationen und ist für modulare Hüftpfannenkonstruktionen nicht geeignet. Inwieweit Schalen aus kohlestoffverstärktem PEEK mit höherer Steifigkeit bessere mechanische und biomechanische Ergebnisse liefern, müssen weiterführende Untersuchungen zeigen.