Gesundheit: Wunderwerk mit Haken

Das Knie ist das größte Gelenk des Menschen. Und zweifelsohne ein Wunderwerk. Allerdings eins mit kleinen Schwächen. Es sei „noch nicht durchkonstruiert“, urteilt etwa der Ulmer Anthropologe Friedrich Rösing. Am Institut für Allgemeine Mechanik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen werden die Eigenschaften des Kniegelenks bis ins Detail erforscht, um den Konstruktionsschwächen auf die Spur zu kommen.

Allem Augenschein zum Trotz ist das Knie kein reines Scharniergelenk, sondern hat auch nach den Seiten etwas Spielraum. Bei jedem Schritt wirken Druck-, Schub- und Drehkräfte. „Das ist eine sehr komplexe Beweglichkeit, die sich die Natur da ausgedacht hat,“ urteilt Thomas Pandorf vom Aachener Institut für Allgemeine Mechanik. Seit zehn Jahren testet er die Belastbarkeit der Wirbelsäule sowie von Knie- und Hüft-Prothesen.

Anfang Juli hat Pandorfs Institut seinen biomechanischen Prüfstand durch ein 130000 Euro teures Zusatzteil erweitern können. Es besitzt vier kraftgesteuerte Achsen, so dass künstliche Kniegelenke besonders naturgetreu alltäglichen Belastungen ausgesetzt werden können. Haltbarkeit, Abrieb und Verschleiß lassen sich so realitätsnah simulieren.

Biomechaniker wie Pandorf gehen davon aus, dass der Mensch sein Knie etwa eine Million Mal im Jahr bewegt, durchschnittlich knapp zweimal pro Minute. „60 bis 70 Millionen Belastungen im Leben – das Knie ist schon eine tolle Maschine“, sagt Pandorf anerkennend.

Auf dem Kniegelenk-Prüfstand werden künstliche Gelenke fünf Millionen Mal belastet, was der natürlichen Beanspruchung über fünf Jahre entspricht – im Test jedoch nur knapp zwei Monate.

Dieser Aufwand soll klären, ob Prothesen länger halten, wenn zwischen dem Unterschenkelknochen und dem Knochenzement, der die Gelenkprothese haften lässt, zusätzlich eine bioverträgliche Silikatschicht aufgetragen wird. „Der Zement zeigt im Laufe der Zeit Risse und verringert so die Haftung – ein Hauptausfallgrund bei Prothesen“, erklärt Pandorf das verbreitete Problem. Denn etwa jede sechste der jährlich rund 50000 implantierten Knie-Prothesen lockert sich in den ersten zehn Jahren. Dann wird ein komplizierter Zweit-Eingriff nötig.

Silikate als Verbindungsschicht haben sich bei Hüftgelenken bewährt, doch sind diese gänzlich anderem Stress ausgesetzt. Schon bei einem normalen Schritt muss das Kniegelenk eine Krafteinwirkung aushalten, die einem Gewicht von 300 Kilo entspricht. Zum Körpergewicht selbst kommen die Zugkräfte durch angreifende Muskeln und Sehnen, obendrein Beschleunigungskräfte beim Schreiten sowie die Wucht der Bewegung, die beim Auftreten größere Kräfte einwirken lässt als beim Stehen.

Am heftigsten belastet wird das Knie beim Springen und Stolpern. „Da können 1,5 bis zwei Tonnen auf das Gelenk einwirken, etwa achtmal so viel wie beim Gehen“, sagt Pandorf. Umso verwunderlicher ist diese Mordslast, wenn man bedenkt, dass unsere Kniegelenke aus mechanischer Sicht alles andere als optimal konstruiert sind – auch eine Folge des Umstands, dass der Mensch nach evolutionären Maßstäben erst seit kurzem aufrecht geht. „Die beiden Gelenkhälften des Knies passen eigentlich gar nicht gut zusammen“, sagt Pandorf.

Das hat damit zu tun, dass das Knie anders als mechanische Scharniere sich nicht nur strecken und beugen können muss. „Es ist flexibel und erlaubt Bewegungen in verschiedene Richtungen, doch diese werden aus technischer Sicht nicht optimal geführt“, befindet Pandorf. Mit anderen Worten: Von Knorpeln, Sehnen und Knochenwülsten nicht vollständig gestützt, gleiten die Gelenkteile mehr oder minder aufeinander in verschiedene Richtungen.

Dies wiederum ist nicht nur von Nachteil, sondern quasi ein Kompromiss zwischen optimaler Bewegungsführung und Stabilität einerseits und flexibler Nutzung andererseits: „Unsere Gelenke sind so gebaut, dass sie für unerwartete oder falsch ausgeführte Bewegungen einen gewissen Spielraum zulassen“, sagt Pandorf und findet das durchaus klug von der Natur: „Sonst hätten unsere Vorfahren schon nach einer falschen Bewegung mit kaputten Gelenken auf dem Boden gelegen und wären ein Opfer von Raubtieren geworden.“

Auch die Kniescheibe hält der Aachener Biomechaniker mit Blick auf die heutigen Bewegungsbedürfnisse des Menschen nicht für das Nonplusultra. Da an ihr Beinsehnen angreifen, wirkt sie wie ein Hebel, der die Zugkräfte umlenkt und ihre Wirkung verstärkt. Bei Vierbeinern, die ihre Beine etwa bei der Flucht viel stärker auslenken müssen, erscheint Pandorf das auch sinnvoll. Doch beim Mensch, der seinen Unterschenkel in der Bewegung maximal nur um 110 Grad anwinkele, sei ein solcher Kraftverstärker überdimensioniert. „Wenn die Evolution mehr Zeit gehabt hätte oder noch hat, würde sie statt der Kniescheibe vielleicht etwas Besseres hervorbringen.“

Dennoch ist es bislang nicht gelungen, die Natur in Sachen Knie-Konstruktion zu übertrumpfen. „Für den Sehnen- und Bänder-Apparat gibt es noch keinen geeigneten Ersatz“, sagt Pandorf. Auch sei das Material künstlicher Gelenke, zum Beispiel Kobalt-Chrom-Stahl im Verbund mit Polyethylen-Kunststoff sowie Knochenzement zum Einpassen der Prothesen in den Unterschenkel, „noch nicht so gut wie das natürliche“. Dass auch ein optimiertes künstliches Knie sich mit der Zeit abnutzen würde, steht außer Frage. Ein klarer Fall von Materialermüdung und immer längerer Lebensdauer, für die das Knie nicht vorgesehen war.