Untersuchung der Eigenschaften metallischer Biomaterialien bei der berührungslosen Induktionserwärmung

Implantatassoziierte Infektionen stellen ein schwerwiegendes Problem dar und betreffen 1− 3 % der Patienten, die sich einer primären Gelenkendoprothetik unterziehen [1]. Die magnetische Hyperthermie, die durch das Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes (AMF) um ein metallisches Implantat nicht-invasiv induziert werden kann, ist ein neuer Ansatz mit großem Potenzial.

Dieses Forschungsprojekt untersucht die Anwendung der kontaktlosen Induktionserwärmung (IH) von metallischen Implantaten in der orthopädischen Chirurgie. Im Mittelpunkt steht das Erwärmungsverhalten paramagnetischer Biomaterialien, die für diese Anwendung in magnetischen Wechselfeldern relevant sind.

Empirische Tests spielen in der Forschung eine wesentliche Rolle. Sie sind jedoch häufig sehr zeitaufwendig, insbesondere wenn eine große Anzahl von Proben untersucht wird. Mit In-silico-Simulationen können Daten deutlich schneller gewonnen werden. Es wurde ein analytisches Modell zur Simulation der Erwärmungsdynamik paramagnetischer Materialien im AMF erstellt, um ein Werkzeug für eine schnellere Eignungsbewertung metallischer Biomaterialien für die magnetische Hyperthermie bereitzustellen. Das Modell wurde anschließend mit empirischen Daten verglichen, die unter kontrollierten Bedingungen gewonnen wurden.

Die empirischen Daten zeigten einen quadratisch zunehmenden Temperaturanstieg mit der Feldamplitude und einen linear zunehmenden Temperaturanstieg mit der Frequenz. Das entwickelte analytische Modell bestätigte, dass die in den Materialien erzeugte Wärme quadratisch mit zunehmender AMF-Amplitude ansteigt.

Darüber hinaus wirkt sich auch eine Erhöhung der Frequenz des AMF auf die Wärmeerzeugung aus. Das Modell sagte unterschiedliche Trends voraus, abhängig davon, welchem Bereich ein Material zugeordnet wird. Die empirischen Daten weisen jedoch über mehrere untersuchte Frequenzen und Materialien hinweg auf einen konsistenten linearen Zusammenhang hin. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse über das Verhalten der Materialien im AMF wurde ein neues Hüftimplantat entwickelt, das für die Behandlung mittels magnetischer Hyperthermie vorgesehen ist. Dabei wurde eine Beschichtung am Hals des Femurschafts verwendet, die eine gezielte Induktionserwärmung ermöglichen sollte, insbesondere in den Bereichen, die am anfälligsten für bakterielle Infektionen sind.

Im Experiment wurde eine Mehrmaterialprobe aus Ti Gr. 23 und ST. 37 verwendet, die den Hals eines Hüftimplantats nachbildete. Der Machbarkeitsnachweis wurde erfolgreich erbracht und zeigte bei hoher Magnetfeldstärke und Frequenz einen deutlichen Temperaturanstieg bei Proben mit Beschichtung im Vergleich zu Proben ohne Beschichtung. Eine gezielte Induktionserwärmung konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Verbesserte Berechnungsmodelle können dazu beitragen, die gewonnenen Erkenntnisse weiter zu untersuchen, und der Machbarkeitsnachweis kann in weiteren Versuchen geprüft werden, um seinen möglichen Beitrag zur Behandlung resistenter bakterieller Biofilme zu untersuchen.

Projektdatum:

• 25.11.2024

Link:

• https://repository.tudelft.nl/file/File_ecffbbea-6e95-4f7b-a411-d14d9ac10b04?preview=1