Bionische Sportler: Hochmoderne Prothesen ermöglichen sportliche Gleichberechtigung

Sowohl aus kosmetischen als auch funktionalen Gründen war der Ersatz eines fehlenden Körperteils durch eine Prothese (griechisch für Anbau) stets eine Notwendigkeit. Die aktuelle Technologie ging über den rein mechanischen Gliedmaßenersatz hinaus und erhob sie auf biomechanische Ebene, dank der Einführung myoelektrischer Sensoren zur Aktivierung der Prothese durch Muskelaktivität. Hier konzentrieren wir uns auf die Materialien, die die Prothese ausmachen, insbesondere jene für den Sport, weniger auf die Elektronik.

Entwicklung der Prothese

Früher war Amputation die einzige Behandlung für schwere Gliedmaßenverletzungen. Der Ersatz des fehlenden Gliedmaßes war jedoch selten und Adligen vorbehalten. Die erste dokumentierte Prothese wurde in Ägypten entdeckt. Dort fand man ein Mumie aus ca. 950 v. Chr. einer Adligen mit einem künstlichen Zeh aus Holz und Leder und einem geschnitzten Nagel als Nachbildung des fehlenden Teils (Abbildung 1) [1].

Abbildung 1. Ästhetischer Finger datiert 959 v. Chr. in Ägypten entdeckt [2].

Im Mittelalter wurden Prothesen funktionaler (Abbildung 2). Männer, die im Kampf ihre Arme verloren, erhielten ein Gerät aus Eisen mit Elementen, um einen Schild im Kampf zu halten. Auf Schiffen hatten Matrosen ihre Unterarme durch den berühmten Haken und ihre Beine durch Holzstöcke ersetzt, beides Materialien, die an Bord leicht verfügbar waren.

Abbildung 2. Eiserne Prothesenarm des Mittelalters [1].

Die erste funktionale Prothese wurde vom französischen Chirurgen Ambroise Paré im 16. Jahrhundert konzipiert. Die Prothese umfasste ein beugbares Knie, das im Stehen arretiert werden konnte, und Hände, die es französischen Hauptleuten auf Pferden erlaubten, Zügel zu greifen und loszulassen [3]. Im 17. Jahrhundert fügte ein holländischer Chirurg, Pieter Verduyn, Gelenke hinzu sowie eine bessere Befestigung am Bein. Später enthielten Prothesen Federn, um Muskeln und Sehnen zu simulieren. In den 1990er-Jahren wurden Mikroprozessoren eingeführt, um die Kniebewegung der Prothese zu steuern, und Sensoren zeichneten den elektromyographischen Reiz auf, der die Prothese bewegte (Abbildung 3) [3].

Abbildung 3. Entwicklung der transfemoralen Prothese über die Jahre [3].

Drei Hauptkomponenten

Die Prothese kann vier verschiedene Körperteile ersetzen, benannt nach ihrer Lage: transhumeral, transradial, transtibial und transfemoral. Unabhängig von Anwendung und Position müssen Prothesen leicht sein, um ihre Nutzung zu erleichtern (es wäre nicht hilfreich, ein künstliches Glied zu haben, das so viel wiegt wie das originale, also 10 % bzw. 30–40 % des Körpergewichts für die beiden Arme und Beine).

Die Prothese besteht aus drei Hauptkomponenten (Aufhängung, Pylon und Schaft), die grundsätzlich bei allen Prothesentypen (ästhetisch oder funktional) und Positionen gleich bleiben [4].

Der Schaft ist der Teil der Prothese, der am Stumpf ansetzt. Für Komfort und volle Effizienz ist es essenziell, dass der Schaft die Haut des Stumpfs nicht reizt und Stoß oder Kraft übertragen kann. Der Schaft besteht meist aus Polypropylen, das das früher verwendete Wolle ersetzt.

Die Aufhängung ist die Verbindung zwischen Pylon und Schaft. Sie ist entscheidend, um den Pylon am Stumpf zu halten; meist wird ein Saugverfahren verwendet, um Vakuum zu erzeugen und die beiden Teile zu verbinden.

Der Pylon ist der Kern der Prothese. Typischerweise wird er aus Titan oder Carbonfasern gefertigt (belastbarer, leichter und stärker als Stahl), die das früher verwendete Holz ersetzen. Der Pylon wird oft mit weichem Material überzogen, das die natürliche Hautfarbe nachahmt.

Prothesen im Sport

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die Beteiligung von Amputierten an Sportaktivitäten zu einer Chance, zur Normalität zurückzukehren, was ihr Wohlbefinden und soziale Inklusion steigerte. Daher ging ein weiterer Schritt in Richtung Optimierung der Prothese für den Sport.

Diese Entwicklung ist vor allem für das Laufen bekannt. In den 1980er-Jahren war eine der ersten Prothesen für anstrengendere körperliche Aktivität der Seattle Foot (Abbildung 4). Ein interner flexibler Delrin-Kiel (ein kristalliner Kunststoff mit Eigenschaften zwischen Metallen und Kunststoffen), umgeben von einer Polyurethanschale, wirkte als Feder und gab einen Teil der Energie zurück [5].

Abbildung 4. Querschnitt des Seattle Foot [6].

Durch Nutzung von Flex-Foot (Abbildung 5) und Re-Flex VSP gelang es Unterschenkelamputierten, energieeffizienter zu laufen. Die Einführung von Carbonfasern ermöglichte nämlich, mehr auf den Zehen zu laufen, eine Eigenschaft normaler Läufer [7]. Insbesondere zeigte der Flex-Foot das höchste Energie-Rückgabe-Verhältnis im Vergleich zu anderen Prothesen aus Polyurethan oder Polyacetal [5].

Abbildung 5. Flex-Foot Prothese [8].

Kürzlich sorgte der Name des Südafrikaners Oscar Pistorius für Schlagzeilen, als erster doppelt amputierter Athlet, der bei Olympischen Spielen antrat und die Debatte um technologisches Doping auslöste (Abbildung 6). Der Sprinter nutzte die Cheetahs, erfunden vom Mediziningenieur Van Phillips. Ihre Form ist für Vorwärtsbewegung designed, daher fehlt eine Ferse.

Laut Josh McHugh [9]: „Die Cheetahs scheinen von selbst abzuprallen. Auf ihnen stillzustehen ist unmöglich, und sich langsam zu bewegen ist schwierig. Einmal in Gang, sind Cheetahs extrem schwer zu kontrollieren.“ Der Grund liegt darin, dass die Cheetahs aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (Polyester, Epoxid oder Nylon, das die Carbonfaser bindet) gefertigt sind. Je nach Richtung und Dichte der Fasern können unterschiedliche Steifigkeitsgrade eingestellt werden.

Die Carbonfaser wirkt wie eine Feder, die die kinetische Energie des Athleten bei jedem Schritt speichert und freisetzt. Insbesondere beträgt das Verhältnis der mechanischen Arbeit am Sprunggelenk zwischen negativer und positiver Phase 0,907 für die Cheetahs im Vergleich zu 0,401 für gesunde Athleten [7].

Die mechanische Arbeit im Knie war in der negativen und positiven Phase elf- bzw. achtmal höher bei den Cheetahs als bei nicht-behinderten Athleten [7]. Aufgrund der verbesserten elastischen Eigenschaften des künstlichen Gliedes nutzen paralympische Weitspringer das Prothesenbein zum Absprung.

Abbildung 6. Oscar Pistorius am Start mit Cheetah-Prothese [10].

Beim Laufen haben transfemorale Amputierte mehr Nachteile als transtibiale. Der Hauptgrund liegt in der Schwierigkeit, das Kniegelenk aufgrund seiner hohen Komplexität mechanisch nachzubilden. Der Lauf transfemoraler Athleten zeichnet sich durch eine Asymmetrie von bis zu 36 % in der Schwungphase zwischen fähiger und unfähiger Seite aus [11]. Daher wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um das Problem der Trägheit zu beheben, die die Beschleunigung der Prothese in der Erholungsphase beeinflusst.

Nicht nur Laufen

Die Entwicklung von Sportprothesen beschränkt sich nicht auf die Laufwelt. Normalerweise werden Unterschenkelprothesen in Sportarten verwendet, die eine aufrechte Position erfordern wie Skifahren, während Oberarmprothesen für Sportarten wie Rudern oder Radfahren genutzt werden. Beim Radfahren sind der Vortrieb und die Stabilität durch die Arme essenziell. Für viele Sportarten ist eine Anpassung der Prothese nicht nötig, in den meisten Fällen jedoch schon [11].

Im Radfahren muss die Oberarmprothese Bremsen und Schalten erlauben. Ein standardmäßiger Öffnungs-/Schließmechanismus reicht meist aus. Für Wettkampfradfahren sollte die Prothese jedoch auch die Fähigkeit des Athleten garantieren, seine Position am Lenker zu ändern [11]. Beim Mountainbiken kann ein Stoßdämpfer die Vibrationen der Fahrt reduzieren, die auf den Lenker übertragen werden (Abbildung 7).

Für das Unterschenkel sind die energierückgewinnenden Füße, die beim Gehen und Laufen helfen, im Radfahren nachteilig, da sie durch ihre Elastizität keinen ordentlichen Vortrieb erlauben [11]. Generell reicht eine normale Unterkörperprothese für den Vortrieb. Dennoch müssen Anpassungen berücksichtigt werden, wie ein breiteres Pedal und Befestigungen, um die Prothese am Pedal zu fixieren.

Abbildung 7. Kolbenanpassung einer Oberkörperprothese für Mountainbiking [12].

Einseitige Amputierte an Ober- und Unterschenkel können meist ohne Probleme schwimmen, solange die Prothesen wasserdicht sind. Um die Effizienz zu steigern, wird häufig eine Flosse direkt am Schaft des gesunden Beins befestigt (Abbildung 8) und auf gleiche Länge wie das gesunde Bein gebracht [11].

Abbildung 8. Flossenanpassung für Schwimmen [12].

Des Weiteren werden der Bartlett Tendon Universal Knee und der XT9 in Extremsportarten eingesetzt, von Skifahren bis Snowboarden und Motorradfahren. Beide Prothesen wurden von Sportlern erfunden, die ihre Gliedmaßen bei Unfällen verloren.

Die Zukunft

Nike, Adidas und ähnliche Unternehmen entwickeln ihre Sportprothesen weiter. Adidas schuf die Symbiosis-Prothesenlinie mit Materialien wie Carbonfaser, Sorbothan (ein Polyurethan) und Aluminium [13]. Nike ging stattdessen in die Entwicklung von Prothesen, die mit der Carbonfaserklinge von Össur interagieren können, was Vorteile wie Stabilität, Energierückgabe und Erholung bietet (Abbildung 9).

Abbildung 9. Nike Prothese [13].

Um die Kosten für Sport- und Alltagsprothesen zu senken, wurde 3D-Druck in der Fertigung eingesetzt. Wie normale Prothesen bestehen 3D-gedruckte Prothesen aus Kunststoffen wie Polypropylen, Polyethylen, Acrylaten und Polyurethan, mit einem inneren Pylon aus Titan, Aluminium oder Carbonfaser.

Die Zukunft von Sportprothesen und Alltagsanwendungen scheint in der Osteointegration zu liegen, also der direkten Verankerung der Prothese im Knochen des Amputierten mittels Titan. Osteointegration hat jedoch Vor- und Nachteile. Das Fehlen des Schafts erlaubt, Unbehagen und Druck auf der Haut zu reduzieren. Andererseits ist das Infektionsrisiko hoch, und der Patient muss den Hautbereich um den Abutment täglich pflegen, mit der Möglichkeit, Aktivitäten wie Springen oder Laufen nicht ausüben zu können.