In den Ferien probieren wir neue Sportarten aus oder buchen einen Aktivurlaub – das Verletzungsrisiko steigt. Um einen Knochenbruch zu beschreiben, greift Materialwissenschaftler Andreas Reisinger auf eigenes Vokabular zurück: „Für uns im Fachbereich Biomechanik wurde dann die Belastbarkeit des Materials überschritten, konkret die Festigkeit des Knochens, beschreibbar als Spannung im Material, sodass es bricht oder reißt.“ Wenn bei Ausgrabungen jahrhundertealte Knochen ans Licht befördert werden, wirken diese wie fertige und ewigkeitstaugliche Steine. Im lebenden Organismus werden Knochen jedoch lebenslang umgebaut, passen sich durch Abbau und Verstärkung an Belastungen an, können krankheits- und altersbedingt brüchig werden. Wer die Sicherheitsbandbreite gewohnter Belastungen verlässt oder beim Sport negiert, dass Krafttraining oder Joggingrunde nicht Teil der Routine waren, verletzt sich mit höherer Wahrscheinlichkeit.
Der Reiz von Biomaterialien liegt für Andreas Reisinger in der Veränderlichkeit. Aus der Perspektive der Physik ist unser Bewegungsapparat eine Maschine mit Hebeln, Seilen und Antrieben: „Wir analysieren und beschreiben mit unseren Methoden und Maßzahlen, wie sie zusammenwirken, wie sich die Materialien verhalten, verändern und vergehen, um Informationen für die medizinische Behandlung zu liefern“. Hineinschauen in Knochendichte und Verteilung der Komponenten des Knochengewebes kann man nur mit bildgebenden Verfahren im Spital (DEXA-Röntgen oder Computertomographie). Eine Arbeitsgruppe im Fachbereich beschäftigt sich in wissenschaftlichen Projekten mit der biomechanischen Datenanalyse aus Bilddaten zur lokalen Knochendichteverteilung.
Langfristig soll aus den Analysen ein patient*innenspezifisches Planungs- und Simulationstool entstehen. Platten mit Titanschrauben zu befestigen, um Fragmente in Position zu halten und physiologisch zusammenwachsen zu lassen, ist eine relativ häufige Intervention. Bei der Positionierung verlassen sich Kliniker*innen zurecht auf Erfahrung. Wenn aber Komplikationen hinzukommen, könnte eine Art Ampelsystem basierend auf individuellen dreidimensionalen CT-Scans Orientierungshilfe leisten. Ärzte und Ärztinnen könnten den Einsatz der Knochenschrauben vor der Operation simulieren und so vorab noch besser abschätzen, wo sie am besten halten werden. Was das Zusammenspiel von Titanschrauben und Knochen angeht, werden auch viele Laborversuche am Prüfstand durchgeführt. Die Merkmale des Knochengewebes auf CT-Aufnahmen werden mit den im Prüfstand gemessenen Versagenslasten (Bruchlasten) verknüpft. Aus diesen Daten werden Machine-Learning-Modelle entwickelt, die die Haltbarkeit einer Schraube vor der Implantation abschätzen helfen sollen.
Andreas Reisinger beim Einrichten einer Knochenprobe (Oberschenkelknochen einer menschlichen Körperspende) in der Prüfmaschine. Der Knochen wird daraufhin von der Maschine belastet und ein definierter Bruch erzeugt. So können Kräfte und Deformationen, die zu Knochenbrüchen führen, unter kontrollierten Laborbedingungen untersucht werden. Das blaue Licht stammt von einem optischen Messsystem.
Als Ingenieur mit familiärem Bezug zur Medizin ist Reisinger mit beiden Denkweisen vertraut, betrachtet klinische Fragestellungen jedoch bewusst aus technischer Perspektive. Er sieht die Rolle der Biomechanik in konkreter Hilfestellung und einer erweiterten Informationsbasis für die Medizin. Den Studierenden versucht er mit Versuchsaufbauten, die „heftigen Hebelverhältnisse im Körper auch bei alltäglichen Bewegungen“ zu veranschaulichen. Ein Kilogramm Gewicht in der Hand, bedeuten bei angewinkeltem Unterarm, dass der Bizeps sieben Kilogramm halten muss. Die kleine dreieckige Patellasehne zwischen Schienbein und Kniescheibe hält das 3,5-fache des Körpergewichts. Bei einer Kniebeuge wären das bei einer Person mit 80 Kilogramm stolze 280 Kilogramm – und diese Information ist wichtig, wenn man so eine Sehne wieder annähen soll.
Häufig arbeitet der Fachbereich an konkreten klinischen Fragestellungen. So wurde gemeinsam mit MedUni Wien und TU Wien untersucht, was passiert, wenn der stabilisierende Marknagel aus dem gebrochenen und wieder geheilten Oberschenkelhals entfernt wird (NAIL2STEM). Routinemäßig werden handelsübliche 3D-Drucker verwendet, um Laborsetups auszuprobieren. Für ein Grundlagenprojekt hat das Team in Kooperation mit ACMIT in Wiener Neustadt aber erfolgreich einen 3D-Drucker für Weichgewebe aus Silikon entwickelt. Die nützliche Anwendung ergab sich rasch in Kooperation mit der Strahlentherapie im Krankenhaus Krems, wo nun medizinische Auflagen (Boli) für die präzise Strahlungsdosierung an komplexe Körperstellen angepasst werden können (z.B. Nase, Ohr, etc.). Eine weitere Anwendung sind realistische Trainingsmaterialien und Präparate für komplexe Eingriffe. Gearbeitet wird an der Erzeugung taktiler Materialien und komplexer Geometrien, die sich anfühlen und aussehen wie verschiedene Gewebetypen. Daran können Studierende schneiden, stechen oder nähen trainieren und komplexe Operationen vorab durchgespielt werden.
Phantomkopf mit auf der Nase aufgelegtem, 3D-getrucktem Bolus aus Silikon. Der Bolus wurde auf Basis eines 3D Scans von der Oberfläche des Gesichts am Computer geplant und dann im gemeinsam mit der ACMIT entwickelten 3D Drucker aus Silikon hergestellt. Er ermöglicht eine genaue Strahlendosierung an der Hautoberfläche der Nase und soll bei speziellen Tumortypen zum Einsatz kommen.
Andreas Reisinger: „Wenn wir einen hohen Nutzen generieren, werden unsere biomechanischen Angebote von Ärzten und Ärztinnen gut angenommen.“ Fragen an den Fachbereich beginnen häufig mit „Kann man?“ oder „Geht das?“. Die Frage „Darf ich nach Monaten am Schreibtisch im Sommer Downhill Mountainbiken?“ oder „Soll ich untrainiert Fallschirmspringen?“ muss weiterhin jede*r selbst beantworten.
