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Forschungsprogramm für Prothetik-, Biomechanik- und Biomaterialforschung

Leitung: DDr. Peter Schuller-Götzburg


Ziel des Forschungsprogramms

  • Einführung und Etablierung der Methode der Prothetik- und Biomaterialforschung durch Finite Element (FE) Studien und histomorphologische Untersuchungen an der Paracelsus Medizinischen Privatuniversität.
  • Entwicklung und Verbesserung von Prothesen und Implantaten. Evaluieren der Interaktion und Biomechanik von Implantaten mit dem sie umgebenden Hartgewebe mittels FE-Modellen und verifizieren der FE-Ergebnisse durch histomorphologische Untersuchungen von unentkalkten Hartgewebeschnitten mit in situ liegenden Metallimplantaten.

Projektbeschreibung

Erstellung von individuellen 3D-Gelenksmodellen des menschlichen Körpers mit bestehenden oder neu entwickelten Implantprothesen. Diese Modelle werden aus triangulierten 3D-Finite Elemente (FE) Modellen aus CT/MRT basierenden Daten generiert. Mit diesen Modellen soll die Belastung der Hartgewebe (Knochen) und Implantatprothesen unter realen physiologischen Bedingungen berechnet und analysiert werden. Die virtuellen 3D-FE Oberflächenmodelle werden unter Verwendung des Softwareprogramms Mimics (Materialise, Belgien) erstellt. Mimics wird eingesetzt, weil es alle wichtigen Schritte zur Erstellung von 3D-Modellen auf der Basis von CT- und MRT-Bildern berücksichtigt. Die Modelle werden zur Beurteilung der strukturellen mechanischen Eigenschaften des Implantats und der Interaktion mit den individuellen anatomischen Gegebenheiten und der Belastung auf das Knochengewebe erstellt. Für die FE-Analysen werden die Modelle in das FE-Programm ANSYS (ANSYS Inc., USA) exportiert, berechnet und analysiert.

Methodik

Finite-Element Methode [FEM]

Mit Hilfe der Finiten Elemente Methode können rasch und ohne die Anfertigung von Prototypen komplexe Bauteile und Strukturen, welche den verschiedensten Belastungen ausgesetzt sind, analysiert werden. Ein virtuelles Modell der zu untersuchenden Prothese oder Implantat mit dem sie umgebenden Hartgewebe und Muskulatur wird generiert und die Beanspruchung im Computer nachgebildet.
Das Ergebnis solcher Berechnungen sind Aussagen über die Werkstoffbeanspruchung und die auftretenden Verformungen. Der Entwickler von Implantaten und Prothesen ist daher bereits im Entwicklungsvorfeld in der Lage, die physikalischen Zusammenhänge zu verstehen und Beanspruchungsgrenzen zu erkennen. Mit FEM-Modellen soll die zeitliche Integration der Prothese oder des Implantates beginnend mit der Einheilphase und der Belastungsphase simuliert werden.
Optimierungen lassen sich ohne Herstellen von realen Prototypen und anschließendem zeitaufwendigen Testung im mechanischen Labor durchführen.
Ziel ist eine auf den jeweiligen Patienten spezifizierte virtuelle Modellerstellung durch CT-Daten zu ermöglichen. Anhand dieses patientenspezifischen Modells kann dann die optimale Prothese entwickelt werden, deren Form und Materialeigenschaften das Optimum darstellt. Auf Grund der Daten dieses individuellen Modells sollten dann die Prothese oder das Implantat via cad/cam Verfahren hergestellt werden.

Die CT-Daten der einzelnen Patienten werden mit dem Programm Mimics (Materialise, Belgien) segmentiert 3D-Modelle erstellt und eine FE- Gitterstruktur-Modell generiert. In diese FE-Modelle kann dann das Implantat virtuell in der gewünschten Lage eingebracht werden und mit einem FE-Analyseprogramm die Spannungsveränderungen im Knochen und Implantat untersucht werden.

Histomorphologische Untersuchung von Hartgewebsschnitten

Anhand von unentkalkten Hartgewebsschnitten mit den in situ befindlichen metallenen Implantaten soll das Einheilverhalten von Implantaten überprüft und mit den FEM-Studien verifiziert werden. Die Schnitte und Schliffe werden einerseits mikroradiographisch und lichtmikroskopisch untersucht und ausgewertet. Ebenso kann eine histomorphometrische Auswertung erfolgen.

Projekt HAS-Schulterprothese

Es sollen patientenspezifische FE-Modell der Schulter erstellt werden, in denen die Gelenkspfanne einer HAS-Schultergelenksprothese (Howmedica Osteonics, Ireland) in verschiedenen Winkeln (65°-45°) zur ventralen Fläche der Scapula inseriert werden. Die unterschiedliche Stressverteilung und Scherspannung der HAS-Schulterprothese soll bei den  verschiedenen Winkeln von 65° bis 45° an den Grenzflächen Prothese / Zement, Zement / Scapula und die Ausbreitung im Schulterblatt berechnet und analysiert werden. Ziel ist es Aussagen über den idealen Insertionswinkel der HAS-Glenoidpfanne zu treffen.

In Zusammenarbeit mit Rektor Prim. Univ.-Prof. Dr. Herbert Resch, Universitätsklinik für Unfallchirurgie, Paracelsus Private Medizinische Universität.

Mechanische Testung an der FH Salzburg

 

Materialpresse

Diese Presse wird dazu verwendet neuartige Materialien zu erzeugen oder bestehende Materialien in unterschiedlicher Art und Weise zu verbinden oder verformen. Die Presse ist durch die Fähigkeit zeitabhängig Druck und Temperatur steuern zu können gekennzeichnet. Dadurch werden chemische und physikalische Vorgänge bei der Materialherstellung und Materialverformung gezielt gesteuert.

Festigkeitsprüfung

Mithilfe der Prüfmaschine ist es möglich Festigkeitseigenschaften (im Wesentlichen Zug-, Druck-, Biege-, Scher-, Verformungseigenschaften und viele andere) von Materialien und Verbindungen zu untersuchen. Mit dieser Universalprüfmaschine ist es möglich Kräfte bis 250KN aufzubringen wobei die Messgenauigkeit geeignet ist von Kunststoffen über biogene Materialien bis zu Metall- und Keramiken alle Materialien zu untersuchen.

Härteprüfung

Es kann die Oberflächenhärte und wesentliche Oberflächeneigenschaften von Bauteilen und Materialien untersucht werden.

Messlabor

Da die Eigenschaften von biogenen Materialien insbesondere durch die Umgebungsbedingungen beeinflusst werden ist es notwendig, diesen Einfluss zu kontrollieren und eventuell zu steuern. Aus diesem Grund werden Klimaschränke und Messapparaturen zur Materialvorbereitung und Materialbehandlung angewendet.

Kooperationspartner

Fachhochschule Salzburg GmbH: Univ.-Doz. Dr. Karl Entacher (Studiengang ITS) und Dr. Alexander Petutschnig (Forschung am Standort Kuchl).

Histomorphometrisches Labor für Biomaterial- und Hartgewebsforschung,
Mag. Stefan Tangl
„BERNHARD-GOTTLIEB-UNIVERSITÄTSZAHNKLINIK“
Universitätsklinik für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde Ges.m.b.H
Abteilung für Orale Chirurgie, Leitung: O. Univ.-Prof. DDr. Georg Watzek
Währinger Straße 25a, A-1090 Wien

Publikationen

 CV DDr. Peter Schuller-Götzburg, AHCM

Education and Professional Career:
1977 - 1981 Apprenticeship as a dental technician, Salzburg
1982 Apprentices’ Final examination for dental technicians
1981 - 1985 Worked as a dental technician
1982 - 1987 National Secondary School for Employed Students, Salzburg
1987 - 1995 Studied medicine at the University of Vienna
1995 Degree of doctor of medicine, University of Vienna (Dr. med. univ., MD)
1995 - 1997 Specialisation training in dentistry, University Clinic of Dentistry, Vienna
1997 State examination as a specialist in dentistry; passed with honours
1998 Assistant doctor at the Clinic of Oral and Maxillofacial Surgery (Prof. Ewers), General Hospital of Vienna
2000 Degree of doctor of dentistry, University of Vienna (Dr. med. dent., DDS)
2004 Programleader for prosthetics, biomechanics and biomaterials research at the Paracelsus Medical Private University

Honors:
Selection and presentation of the Theses amongst the eight best theses of the year 1995 for the "Wilhelm Auerswald Award" on 24th April 1996.

Research Activities:
Research-Project of OeNB-Project No 4729 “Jubiläumsfonds der Österreichischen Nationalbank”.Scholarship from the Austrian Federal Ministary for Sience and Research 1995.

Kontakt

DDr. Peter Schuller-Götzburg, AHCM
Leitung des Forschungsprogramms für Prothetik-, Biomechanik- und Biomaterialforschung

Mobil: +43 676 5339832
E-Mail: peter.schuller-goetzburg@pmu.ac.at
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