Laser ermöglicht neue Schnitttiefe bei Knochen

Forschende der Universität Basel erreichen mit einem neu geformten Laserstrahl eine Schnitttiefe von bis zu 4,5 Zentimetern in Knochen. Die Technologie könnte die Präzision in der Knochenchirurgie erhöhen und neue Optionen für Implantate eröffnen.

Laser schneiden kontaktlos und präzise – ein Vorteil gegenüber mechanischen Werkzeugen wie Säge, Meißel oder Bohrer. In der Knochenchirurgie waren Lasersysteme bislang jedoch limitiert: Schnitte reichten nur 2 bis 3 Zentimeter tief und waren damit für viele orthopädische Eingriffe ungeeignet. Forschende der Universität Basel haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich deutlich tiefere Knochenschnitte realisieren lassen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Scientific Reports veröffentlicht.

Das Team um Dr. Ferda Canbaz vom Department of Biomedical Engineering untersuchte nicht die Leistung des Lasers, sondern die Form des Laserstrahls. Ziel war es, die Energieverteilung so zu optimieren, dass Knochenmaterial effizienter abgetragen werden kann.

In Versuchen an Rinderknochen erreichten die Forschenden eine Schnitttiefe von bis zu 4,4 beziehungsweise 4,5 Zentimetern. Bisherige Systeme mit herkömmlichem Strahlprofil kamen lediglich auf etwa 2,6 Zentimeter. Damit wurde die bisherige Grenze nahezu verdoppelt.

Solche präzisen und tieferen Schnitte könnten künftig insbesondere bei der Vorbereitung von Gelenkimplantaten relevant sein – auch für maßgeschneiderte, 3D-gedruckte Implantate.

Eine einfache Erhöhung der Laserenergie kam für das Forschungsteam nicht infrage.

"Die Energie des Laserstrahls zu erhöhen, wäre keine gute Lösung. Der Knochen könnte verkohlen und schlechter heilen», erklärt Ferda Canbaz. «Deshalb haben wir stattdessen die Form des Lasers verändert, oder besser gesagt sein Profil."

Üblicherweise besitzen Laser ein sogenanntes Gauß-Profil: Die Energie ist in der Mitte am höchsten und nimmt zum Rand hin ab. Das Basler Team setzte stattdessen auf ein sogenanntes Top-Hat-Profil, bei dem die Energie über die gesamte Strahlfläche gleichmäßiger verteilt ist und erst am Rand abrupt abfällt.

"Weil die Energie dabei gleichmäßiger übertragen wird, schneidet der Laser effizienter und schneller", sagt der Doktorand und Erstautor Mingyi Liu.

Ein zentrales Problem beim tiefen Laserschneiden ist der Energieverlust entlang der Schnittwände. Diese absorbieren einen Teil der Strahlenergie, sodass in größerer Tiefe weniger Leistung zur Verfügung steht. Durch die gleichmäßigere Energieverteilung bleibt das Top-Hat-Profil auch in tieferen Bereichen wirksam.

Noch ist die Laser-Knochensäge langsamer als mechanische Instrumente: Pro Sekunde trägt sie rund 0,4 Kubikmillimeter Material ab, während eine herkömmliche Säge etwa 11 Kubikmillimeter erreicht. Dennoch stellt die erzielte Schnitttiefe einen wichtigen Schritt dar.

"In weiteren Schritten müssen wir untersuchen, wie wir das System an die komplexere Situation im Körper anpassen können. Dann geht es auch darum, umliegendes Gewebe zu schonen", so Canbaz.

Die Arbeiten sind Teil des Projekts „Miracle“, das von der Werner Siemens Stiftung gefördert wird. Zudem fließen die Entwicklungen in das Innosuisse-Projekt "Laser-Blade" ein, eine Kooperation mit dem Medizintechnikunternehmen Smith+Nephew.

MEDICA.de; Quelle: Universität Basel