Gewusst wo: Knochenstruktur verrät optimale Position für Schrauben bei Brüchen

Ein neues Modell der Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften liefert Grundlagen zur optimierten Positionierung orthopädischer Schrauben.

Krems, Österreich, 3. Juni 2025 – Metallische Schrauben sind in der Knochenchirurgie unverzichtbar, doch sie können unter alltäglicher Belastung versagen. Eine neue Studie zeigt nun, dass sich das Risiko eines Versagens bereits vor der Implantation anhand detaillierter Messungen der Knochenstruktur vorhersagen lässt. Mithilfe hochauflösender Mikro-CT-Aufnahmen analysierte ein Forschungsteam 100 Knochenproben unter zehn verschiedenen Belastungsszenarien und fand zwei entscheidende Faktoren, die bis zu 90 % der Stabilitätsunterschiede erklären. Die Studie unter Leitung der Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften (KL Krems) liefert damit ein Modell für zahlreiche orthopädische Eingriffe, das es erlaubt die Implantation von Schrauben sicherer zu planen und spätere Komplikationen zu vermeiden.

Orthopädische Schrauben stabilisieren Frakturen und sichern den korrekten Zusammenhalt der Knochenfragmente – doch trotz ihrer Schlüsselrolle kommt es immer wieder zu Komplikationen, wenn sich Schrauben lockern oder gar brechen. Bisher war es kaum möglich, dieses Risiko präzise vorherzusagen, da die Testmethoden meist nicht den realistischen Belastungen im Körper gerecht wurden. Ein Team des Fachbereichs Biomechanik am Department Anatomie und Biomechanik an der KL Krems, leistete nun einen entscheidenden Beitrag zum Schließen dieser Lücke, indem es modernste Bildgebung mit mechanischen Belastungstests kombinierte. So gelang es, das Zusammenspiel zwischen Knochenstruktur und Schraubenstabilität zu entschlüsseln.

Knochen lüften ihr Geheimnis
„Wir wollten Folgendes wissen: Kann man noch vor der Implantation einer Schraube allein anhand der umliegenden Knochenstruktur vorhersagen, ob die Schraube unter den später zu erwartenden Kräften versagen wird?“, erklärt Ass.-Prof. DI Dr. Andreas Reisinger, Leiter des Fachbereichs Biomechanik an der KL Krems. „Und unsere Antwort lautet: Ja – und zwar erstaunlich präzise.“ Mithilfe eines Mikro-Computertomographen (CT) im Knochenlabor der KL Krems analysierte man dafür zunächst die Knochenstrukturen in der Umgebung jener Stellen, an denen in Folge die Schrauben implantiert wurden. Danach wurden diese Schrauben Belastungstests ausgesetzt, die alltägliche Bewegungen wie Gehen oder Heben simulierten. Das Ergebnis: Knochen mit höherem Volumen und dichterer Struktur bieten den Schrauben deutlich mehr Halt – unabhängig von der Art der Belastung.

Getestet wurden 100 Schweineknochenproben, die der menschlichen Knochenstruktur stark ähneln. Die Schrauben wurden zehn verschiedenen Belastungsszenarien ausgesetzt, darunter axial (Zug- und Druckbelastung), Scherung und Mischbelastung. Sechs Knochenparameter wurden gemessen, wobei sich insbesondere das Knochenvolumen BV und der Knochenvolumenanteil BV/TV (der Anteil von Knochengewebe zu Gesamtgewebe im untersuchten Bereich) als verlässliche Prädiktoren für die Kraft, bei der eine Schraube versagt, herausstellten.

Belastbare Vorhersagen
Aus den Daten der Mikro-CT-Bilder und den gemessenen Versagenskräften der Schrauben entwickelte das Forschungsteam zwei statistisch-computergestützte Vorhersagemodelle: Eines basierte ausschließlich auf dem Knochenvolumen, das andere kombinierte mehrere Knochenparameter in einem stufenweisen Ansatz. Beide Modelle zeigten eine beeindruckende Aussagekraft. „Wir haben bei allen Szenarien die Größe der Kraft gemessen, die für ein Versagen der implantierten Schrauben notwendig war“, erklärt Prof. Reisinger Details der Studie „Diese variierte zwischen den Proben natürlich stark. Und genau diese Varianz konnten wir mit unseren Modellen zu 70 – 90 % erklären. Das ist eine sehr klare Bestätigung unserer Berechnungen, die nun Vorhersagen erlauben.“ Tatsächlich könnten Chirurginnen und Chirurgen künftig dieses Modell nutzen, um die stabilsten Schraubenpositionen im Knochen zu identifizieren und das Risiko von späteren Lockerungen oder Brüchen zu reduzieren.

Die Ergebnisse der Studie an der KL Krems eröffnen damit neue Perspektiven für eine personalisierte Orthopädie. Besonders bei älteren Menschen oder Patientinnen und Patienten mit Osteoporose lassen sich durch präzisere Planung sicherere und effektivere Fixierungen geschädigter Knochen erreichen. Die Arbeit der KL Krems unterstreicht, wie wertvoll die Verbindung von Ingenieurwissenschaft und Medizin ist – und wie moderne Vorhersagemodelle helfen können, Behandlungsergebnisse zu verbessern.

Bilder auf Anfrage verfügbar.

Originalpublikation: Silva-Henao JD, Pahr DH, Reisinger AG: Predicting osteosynthesis screw failure by peri-implant bone morphology in multiple loading conditions. J Mech Behav Biomed Mater. 2025;168:107043. doi:10.1016/j.jmbbm.2025.107043. Predicting osteosynthesis screw failure by peri-implant bone morphology in multiple loading conditions - Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften

Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften (Stand 06/2025)
Die Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften (KL Krems) ist eine europaweit anerkannte Bildungs- und Forschungseinrichtung am Campus Krems. Die KL Krems bietet eine moderne, bedarfsorientierte Aus- und Weiterbildung in der Medizin und Psychologie sowie ein PhD-Programm im Bereich Mental Health and Neuroscience an. Das flexible Bildungsangebot ist auf die Bedürfnisse der Studierenden, die Anforderungen des Arbeitsmarkts sowie auf die Herausforderungen der Wissenschaft abgestimmt. Die drei Universitätskliniken in Krems, St. Pölten und Tulln sowie das Ionentherapie- und Forschungszentrum MedAustron in Wiener Neustadt gewährleisten eine klinische Lehre und Forschung auf höchstem Qualitätsniveau. In der Forschung konzentriert sich die KL auf interdisziplinäre Felder mit hoher gesundheitspolitischer Relevanz – u.a. der Biomechanik, der molekularen Onkologie, der mentalen Gesundheit und den Neurowissenschaften sowie dem Thema Wasserqualität und den damit verbundenen gesundheitlichen Aspekten. Die KL wurde 2013 gegründet und von der Österreichischen Agentur für Qualitätssicherung und Akkreditierung (AQ Austria) akkreditiert. https://www.kl.ac.at/

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