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Endoprothesen: Es war einmal ein Ersatzteil

Die Geschichte der Prothese beginnt mit Elfenbein und endet mit Plastik, Keramik und Metall: eine Materialkunde

von Dr. Ralph Müller-Gesser, 24.06.2020
Röntgenbild einer Totalprothese Hüfte künstliches Hüftgelenk, Endoprothetik

Ein wenige Zentimeter langer Hautschnitt reicht, um ein Hightechprodukt einzubauen. 45 bis 75 Minuten dauert das Verfahren. Dann kann es losgehen - kann man losgehen. "Schon am Tag der Operation lässt sich ein künstliches Hüftgelenk meist wieder belasten", erklärt Christian Fulghum. Er ist Leiter der endogap Klinik für Gelenkersatz im Klinikum Garmisch-Partenkrichen. "Die Fortschritte der Endoprothetik in den letzten 60 Jahren machen das möglich."

Passgenaue Prothesen

Längst werden in Deutschland Jahr für Jahr rund 200.000 Hüftprothesen implantiert. Jeder dritte Patient ist bei der Operation jünger als 65 Jahre. Nötig wird der EIngriff, wenn der Gelenkknorpel verschlissen ist. Übergewicht, Fehleinstellungen und Verletzungen begünstigen die Entwicklung.

"Moderne Totalprothesen bestehen aus mehreren Komponenten oder Modulen: Auf der einen Seite ist die Hüftpfanne meist mit einer Plastikeinlage, die in den Beckenknochen eingesetzt wird", erklärt Fulghum. "Auf der anderen Seite der Hüftkopf, der auf einem Schaft steckt und mit diesem im Oberschenkel verankert ist."

Die verschiedenen Komponenten ermöglichen es, die Prothese den anatomischen Bedürfnissen eines Patienten genau anzupassen, was Form oder Länge des Schafts, aber auch Größe und Material des Hüftkopfes angeht.

35.000 Wechseloperationen

Anfang der 1970er-Jahre entwickelte ein Schweizer Ärzteduo am Kantonshospital in St. Gallen dieses modulare Konzept: die Profesoren Bernhard Weber und Maurice Müller. Sie entdeckten damit den Schlüssel für den Erfolg der modernen Endoprothetik, sagt Professor Rudolf Ascherl, ehemaliger Präsident der Deutschen Gesellschaft für Endoprothetik:

"Die Modulierbarkeit erhöht die Haltbarkeit der Prothese." Denn eine angepasste Prothese verschleißt langsamer. Geht doch ein Teil kaputt, muss nicht zwangsläufig das ganze Gelenk ersetzt werden, sondern es reicht mitunter, die fehlerhafte Komponente zu erneuern.

Etwa 35 000 sogenannte Wechseloperationen finden in Deutschland jährlich statt. Ascherl weiß, wovon er spricht: Er hat selbst 30 Jahre lang vor allem Prothesen gewechselt. "Hüftprothesen halten im Schnitt 15 bis 20 Jahre. Dennoch operieren wir heute auch junge Menschen - obwohl klar ist, dass sie im Laufe ihre Lebens vermutlich eine neue Prothese brauchen."

Erste künstliche Gelenke Ende des 19. Jahrhunderts

Die ersten Vorläufer für den heutigen Gelenkersatz stellte der Berliner Chirurg Themistocles Gluck am 23. April 1890 auf dem 10. Internationalen Chirurgen Kongress vor. Er überraschte sein Publikum mit einer Weltneuheit: künstliche Hüft-, Knie-, Schulter- und Handgelenken aus Elfenbein. In den Jahren danach implantierte er einigen Tuberkulose-Kranken diese Gelenke.

Auch der Engländer Ernest William Hey Groves nutzte 1922 Elfenbein für seinen künstlichen Hüftkopf. Das französische Brüderpaar Jean und Robert Judet stellte 1946 eine Plexiglas-Prothese vor. Jedoch nutzte sich das Material schnell ab. Auch viele andere Versuche, einen künstlichen Gelenkersatz zu schaffen, verliefen erfolglos: Mal waren die Stoffe zu zerbrechlich, mal zu weich und mal zu giftig.

Künstliche Hüftgelenke im Lauf der Zeit: Bitte auf die jeweiligen Felder zeigen, um die Informationen aufzurufen

 

Metall setzt sich durch

Eine Lösung brachten in den 1950er-Jahren die Experimente des Amerikaners Austin Moore mit Vitallium, einer Metallmischung aus Kobalt, Chrom und Molybdän. Seine Hüftprothese aus Metallschaft mit Metallkopf, aber ohne Pfanne revolutionierte die Behandlung von Oberschenkelhalsbrüchen: Die Patienten konnten wenige Tage nach der OP wieder durch die Krankenhausgänge marschieren.

Auf Metall setzte zur gleichen Zeit auch der Engländer Kenneth McKee: Er benutzte rostfreien Stahl, später eine Mischung aus Chrom und Kobalt, für seine Endoprothese der Hüfte. Das Kunstgelenk, bei dem ein Metallkopf in einer Metallpfanne glitt, war ein Erfolg in der Behandlung von Arthrosepatienten.

Eine Kombination aus Plastik und Metall

Auf diesem Wissen aufbauend setzte der Engländer Sir John Charnley Anfang der 1960er-Jahre neue Maßstäbe. Der Chirurg aus Manchester gilt gewissermaßen als Begründer der modernen Endoprothetik. "Charnley verdanken wir Verbesserungen in puncto Material, Verankerung, Hygiene und Operationstechnik", bestätigt der Chirurg und Orthopäde Ascherl.

Bis heute hat sich die Kombination aus Plastik und Metall bewährt. "Die Hüfteinlagen sind meist noch immer aus Polyethylen", erklärt Orthopäde Fulghum. "Beim Metall setzt man meist auf eine Mischung aus Titan, Aluminium und Vanadium oder Niob."

Darüber hinaus kommr auch Keramik zum Einsatz - vor allem bei jüngeren Patienten. "Keramik ist sehr hart und der Abrieb minimal, weshalb die Prothesen serh lange halten." Außerdem werden Prothesen heute mit Vitamin E vorbehandelt oder bestrahlt - auch das soll deren Haltbarkeit verbessern.

Antibiotikum im Knochenzement

Und während Themistocles Gluck Ende des 19. Jahrhunderts noch Baumharz und Gips verwendet hatte, um seine Prothese zu verankern, setzte John Charnley in den 1960er-Jahren auf einen Kunststoff aus zwei Komponenten, die im Operationssaal vermischt wurden und innerhalb von Minuten aushärteten.

Das Resultat: Die Prothese saß fest und konnte noch am gleichen Tag belastet werden. In ähnlicher Zusammensetzung wird der sogenannte Knochenzement zum Teil noch heute verwendet, mit einem Zusatz: Anfang der 1950er-Jahre begann Professor Hans-Wilhelm Buchholz, Chirurg und Chefarzt des St. Georg Krankenhauses in Hamburg, dem Zement ein Antibiotikum beizumischen, um die Infektionsrate zu reduzieren.

Heute liegt sie bei unter einem Prozent. Auch dazu leistete Charnley einen wesentlichen Beitrag. Der Chirurg sorgte für saubere Luft im OP. "Um die Infektionsrate zu senken, entwickelte er spezielle OP-Boxen für seine Eingriffe, aus denen die Luft abgesaugt wurde", erklärt Ascherl. Seine "Clean Air Theatre" setzten neue Hygienemaßstäbe in der Chirurgie und sorgten für den generellen Einbau von Absaugevorrichtungen und Luftfiltern in Operationssälen.

Verschiedenste Operationstechniken

Parallel zu den Entwürfen verschiedener Prothesentypen legten Chirurgen von Anfang an viel Wert auf die Entwicklung der Operationstechniken. Diese wurden immer wieder verfeinert und verbessert. Heute gibt es eine ganze Reihe von Zugängen - von vorne, hinten oder auch seitlich an der Hüfte. Manche sind kleiner, andere hinterlassen eine etwas größere Narbe. "Alle Techniken haben ihre Vor- und Nachteile", urteilt Fulghum.

Ziel ist es immer, die Muskeln zu schonen, einen guten Überblick zu haben und im Falle von Komplikationen, den Zugang erweitern zu können. "Und keine ist letztlich besser als die anderen." Das Wichtigste sei, dass der Operateur den Zugang, den er wählt, gut beherrscht. "Wie Studien zeigen, sind die Ergebnisse dann am besten."