Konzepte zur Erhöhung der Primärstabilität von Pedikelschrauben mithilfe aktiver und superelastischer Formgedächtnis-Elemente

Abstract-Text deutsch

Einleitung

Vor dem Hintergrund von Erkrankungen, welche die Knochenqualität beeinträchtigen, hat die Verankerungsfestigkeit von Pedikelschrauben Einfluss auf den Erfolg von Wirbelsäulenversorgungen. Einen innovativen Ansatz zur Erhöhung der Verankerungsfestigkeit stellen funktionalisierte Implantate mit integrierten Elementen aus Formgedächtnis-Legierungen (FGL) dar. FGL können thermisch aktiviert ihre Form ändern und dabei Arbeit verrichten. Zudem eignen sie sich aufgrund ihrer superelastischen Eigenschaften als passiver mechanischer Dämpfer.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Konzepten zur Erhöhung der Verankerungsfestigkeit von Pedikelschrauben durch die Integration von Formgedächtnis-Elementen sowie ihre biomechanische Testung.

Material/Methode

Konventionelle Schraubenimplantate wurden mechanisch bearbeitet und modifiziert, um Funktionselemente auf Basis von FGL zu integrieren (s. Abb.1).

Konzept 1 setzt eine aktive Verankerung im Knochen um. Nach der Implantation wird durch die Körperwärme ein Formgedächtnis-Element aktiviert, das über einen Spreizmechanismus zu einer lokalen Aufweitung des Schraubendurchmessers führt. Die Spreizelemente sind unterhalb des Schraubenkopfes lokalisiert, um eine zusätzliche Verspannung im Bereich des Pedikels zu bewirken.

Konzept 2 nutzt die passive Superelastizität der FGL. Der nicht gewindetragende Abschnitt der Schraube unterhalb des Schraubenkopfes ist hierbei durch ein zylindrisches Formgedächtnis-Element ersetzt. Ein Teil der am Schraubenkopf durch angebundene Stabsysteme eingebrachten Verformungsenergie dissipiert durch das superelastische Materialverhalten, sodass Belastungen gedämpft werden.

Abb. 1: Prototyp (P) und Standardschraube (S), a - Konzept 1 (aktiv), b - Konzept 2 (passiv)

Die biomechanische Testung erfolgte in einem Versuchsaufbau zur zyklischen Auslockerung nach ASTM F1717 mit anschließendem axialen Auszug.

Ergebnisse

Im direkten Vergleich zur jeweils baugleichen Standardschraube zeigten sich bei beiden Konzepten tendenziell geringere Relativbewegungen zwischen Schraubenkopf und humanem Spenderknochen. Zudem resultierte bei Konzept 2 eine höhere verbleibende Auszugskraft nach Belastung. Unter der gegebenen zyklischen Belastung trat sowohl bei den Prototypen als auch konventionellen Schrauben Implantatversagen infolge von Materialermüdung auf.

Diskussion

Die Funktionalisierung von Pedikelschrauben mit Formgedächtnis-Elementen ist technisch realisierbar und bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Erhöhung der Primärstabilität. Sowohl bei aktiver Verankerung (Konzept 1) als auch bei Dämpfung der eingebrachten zyklischen Belastung (Konzept 2) zeigte sich Potenzial für eine erhöhte Verankerungsfestigkeit. Die erhöhte Auszugskraft von Konzept 2 deutet auf eine Schonung des Knochens während der zyklischen Belastung hin. Das beobachtete Materialversagen zeigt Defizite in der Dauerfestigkeit infolge der generativen Fertigung auf und bedarf weiterer Optimierung.

Abstract-Text englisch

Introduction

In the context of medical conditions that affect bone quality, the anchoring strength of pedicle screws has an impact on the success of spinal restorations. Functionalised implants with integrated elements made of shape memory alloys (SMA) are an innovative approach to increase the anchoring strength. SMAs can change their shape when thermally activated and can thereby perform work. In addition, their superelastic properties make them suitable as passive mechanical dampers.

The aim of this work was to develop concepts to increase the anchoring strength of pedicle screws by integrating shape memory elements and to test them biomechanically.

Material/Method

Conventional screw implants were mechanically machined and modified in order to integrate functional elements based on SMA (see Fig. 1).

Concept 1 implements active anchoring in the bone. After implantation, body heat activates a shape memory element that leads to a local dilatation of the screw diameter by means of an expansion mechanism. The expansion elements are localized below the screw head to provide additional clamping in the pedicle region.

Concept 2 utilises the passive superelasticity of SMA. The non threaded section of the screw below the head is replaced by a cylindrical shape memory element. Part of the deformation energy introduced at the screw head by attached rod systems dissipates through the superelastic material behaviour, so that loads are damped.

Fig. 1: Prototype (P) and standard screw (S), a - concept 1 (active), b - concept 2 (passive)

The biomechanical testing was carried out in a test setup for cyclic screw loosening according to ASTM F1717 with subsequent axial pull-out.

Results

In comparison to the standard screw of identical design, both concepts tended to show lower relative movements between the screw head and the human bone. In addition, concept 2 resulted in a higher residual pull-out force after loading. Under the applied cyclic loading, implant failure due to material fatigue occurred for both the prototypes and the conventional screws.

Discussion

Functionalisation of pedicle screws with shape memory elements is technically feasible and provides a promising approach to increase primary stability. Both active anchoring (concept 1) and damping of the applied cyclic load (concept 2) showed potential for increased anchoring strength. The increased pullout force of Concept 2 suggests sparing of the bone during cyclic loading. The observed material failure indicates deficiencies in fatigue strength due to generative manufacturing and requires further optimisation.