13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

Prof. Dr.

PD Dr.

Welche Instabilität resultiert aus einem Kompressions- und Flexion-Kompressions-Trauma der unteren thorakalen Wirbelsäule? Eine multiparametrische In-vitro-Untersuchung

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Instabile traumatische Wirbelsäulenfrakturen müssen chirurgisch versorgt werden. Biomechanische Instabilitätskriterien, auf deren Grundlage Behandlungsstrategien entschieden werden, gibt es bisher jedoch nicht. Ziele: In dieser In-vitro-Studie sollen die relevantesten Instabilitätsparameter der unteren Brustwirbelsäule (BWS) nach Kompressions- (KT) und Flexion-Kompressions-Trauma (FKT) bestimmt werden. Materialien &amp; Methoden: 12 humane thorakale Präparate (T9-T11; 4w/ 8m; 40-60 J.) inkl. Rippen-Wirbel-Gelenke wurden nach 400N axialer Vorlast in einer Materialprüfmaschine mit Kompression- (n=6) oder Flexion-Kompression (=10Nm Flexionsvorlast+KT, n=6) mit 300mm/s um 20% der T10-Wirbelkörperhöhe komprimiert. Frakturen wurden mit einem Lastabfall (&gt;10%) und per Röntgenkontrolle identifiziert. Vor und nach Trauma wurde die Instabilität mit reinen Momenten (5Nm) in Flexion/Extension (FE), Seitneigung (SN) und axialer Rotation (AR) in einem Wirbelsäulenbelastungssimulator untersucht, um Bewegungsumfänge (ROM), Neutrale Zonen (NZ) und gekoppelte Bewegungen zu ermitteln. Zusätzlich wurden Translationen (100N Scherlast) und der Höhenverlust (400N Kompression) bestimmt. Die statistische Auswertung erfolgte mittels Friedman-Test in SPSS. Ergebnisse: Alle Präparate hatten AOSpine-A1-Frakturen [1] (KT: mediale Endplattenfraktur (n=5), FKT: mediale Endplattenfraktur + ventrale Kompressionsfraktur (n=3)). Post-traumatisch wurden signifikante Zunahmen (p&lt;0,05) für alle Parameter festgestellt, außer für die posteriore Schertranslation (KT) und gekoppelte Rotationen (KT/ FKT). Die höchsten Zunahmen zeigten der Höhenverlust (KT: +136%, FKT: +200%) und die NZ in FE (+177%, +188%) und SN (+174%, +126%). ROM und gekoppelte Translationen nahmen stärker zu als Schertranslationen. Zusammenfassung: Für leichte Traumata der unteren BWS stellen die NZ und der Höhenverlust die relevantesten Instabilitätsparameter dar. Literatur: [1] Schnake et al. (2017). J Orthop Trauma 31, S14-S23.

Bewegungsapparat (Gelenke, Wirbelsäule)

Vortrag

Prof.

Postoperative Vollbelastung dank Cerclage? Eine biomechanische Studie der Osteosynthese distaler Tibiafrakturen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Frakturen der unteren Extremitäten erfordern meist eine postoperative Teilbelastung, welche vor allem von geriatrischen Patienten kaum eingehalten werden kann. Um die Frakturreposition beizubehalten und um Scherbewegungen im Frakturspalt auf ein klinisch relevantes Maß zu reduzieren, muss die Frakturstabilität auch unter Belastung ausreichend hoch sein. Ziel der Studie war es, die stabilisierende Wirkung einer Cerclage im Verbund mit einer Marknagel- oder Plattenosteosynthese bei Spiralfrakturen der distalen Tibia biomechanisch zu untersuchen. In synthetischen Tibiae wurde eine distale Spiralfraktur (AO 42-A1.1c) erzeugt und vier Gruppen gebildet (je n=7): Verriegelungsplatte (LCP, DePuy Synthes), Verriegelungsplatte mit Cerclage, Marknagel (T2, Stryker), Marknagel mit Cerclage. Alle Proben wurden in einer servohydraulischen Prüfmaschine unter physiologisch relevanten Axial- und Torsionsbelastungen getestet, wobei Teil- und Vollbelastungen simuliert wurden. Axial- und Scherbewegungen im Frakturspalt, sowie Konstruktsteifigkeiten wurden mittels Mann-Whitney Tests und t-Tests statistisch verglichen. Eine zusätzliche Cerclage erhöhte für die Verriegelungsplatte die Konstruktsteifigkeit (2882±739 N/mm vs. 983±355 N/mm; p&lt;0,001), jedoch nicht für die Marknagelung (3727±793 N/mm vs. 2858±958 N/mm, p=0,089). Unter Teilbelastung führte die Marknagelung im Vergleich zur Platte zu geringeren axialen Bewegungen (0,02 mm vs. 0,3 mm, p&lt;0,001) und geringeren Scherbewegungen (0,2 mm vs. 0,6 mm, p&lt;0,001). Unter Vollbelastung erzielte eine zusätzliche Cerclage vergleichbare Scherbewegungen für den Marknagel (0,3 mm, p=0,073) und reduzierte Scherbewegungen für die Verriegelungsplatte (0,4 mm, p=0,001). Aus biomechanischer Sicht kann durch eine Cerclage in Kombination mit einem Marknagel oder einer Plattenosteosynthese bei Patienten mit Spiralfrakturen der distalen Tibia eine postoperative Vollbelastung ermöglicht werden.

Freie Themen

PD Dr. med.

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Dr. med.

Knochenersatz und Kleber zugleich: in-vitro Analyse im porcinen Frakturmodell﻿

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Fragestellung: Magnesiumphosphatzemente (MgP), die sowohl klebrige als auch bohrbare Eigenschaften aufweisen, könnten die intraoperative Rekonstruktion komplexer gelenknaher Frakturen aufgrund ihrer Eigenschaften als Knochenkleber und Ersatz zugleich revolutionieren: Mit diesen neuen mineralischen Zementklebern können Frakturen zunächst geklebt und der Defekt aufgefüllt werden, wobei aufgrund der Bohrbarkeit des Zementes anschließend die Verschraubung erfolgen kann. Diese in-vitro Studie analysierte die neue Operationstechnik biomechanisch. Methoden: An 27 porcinen Tibiae wurde eine laterale Spalt-Impressionsfraktur generiert (Abb. 1A). In Gruppe A wurde die Fraktur in einer neuen Operationstechnik mit MgP-Zement (Mg3(PO4)2 + MgO + 22,5% wt. %Phytinsäure) reponiert und anschließend mit einer Platte stabilisiert (Abb. 1B). In den beiden anderen Gruppen wurde zunächst, dem derzeitigen Op-Standard, eine Plattenosteosynthese durchgeführt. Dann erfolgte die Injektion eines Knochenersatzmaterials durch einen Spalt im Frakturbereich der Tibia (Abb. 1C): bei Gruppe B mit MgP-Zement, bei Gruppe C mit Hydroxylapatit-Zement (a-TCP + Na2HPO4). Das Displacement des lateralen Plateaus wurde während der dynamischen Testphase, die Steifigkeit [N/mm], Maximalkraft [N] und die normalisierte Maximalkraft [%] in statischen Tests ermittelt (Abb. 1D). Ergebnisse: Die Ergebnisse zeigen keinen signifikanten Unterschied zwischen den Gruppen für das Displacement, wobei Gruppe A die niedrigsten Werte aufwies. Die Maximalkraft war in der Gruppe C signifikant höher als in A (p &lt; 0,01) und B (p = 0,04), doch die normalisierte Maximalkraft zeigte sich kein Unterschied zwischen den Gruppen. Schlussfolgerungen: Bei verbesserter anatomischer Reposition und vollständigerer Auffüllung des Knochendefektes weist die neue Operationstechnik mit klebrigem Magnesiumphosphatzement eine gleichwertige biomechanische Stabilität im Vergleich zur bisherigen Op-Technik auf.

Flüssiggummibeschichtete Knochen: Eine vielversprechende Innovation für präzise biomechanische Messungen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Biomechanische Langzeit- und Digital Image Correlation (DIC)-Versuche zur Erfassung der Oberflächendehnung von Knochen stehen vor der Herausforderung des Feuchtigkeitsverlust im Zeitverlauf. Durch die Verdunstung von Feuchtigkeit an der Knochenoberfläche verändern sich die Eigenschaften des Knochens. Befeuchtung als auch der Feuchtigkeitsaustritt beeinflussen die optischen Eigenschaften der Oberfläche und führen zu einer Verfälschung der Dehnungsmessungen durch Änderungen im aufgebrachten Specklemuster. Inwiefern kann eine Flüssiggummibeschichtung die Austrocknung der Knochenoberfläche in Langzeitversuchen verhindern und dabei die mechanischen Eigenschaften des Knochens bewahren sowie zu präzisen Dehnungsmessungen in der DIC führen? Porzine Femora (n=6) wurden mit Laborwaage sowie eines 4-Punkt-Biegeversuch analysiert. Vor und nach einer 21-stündigen Exposition bei Raumluft (22°, 55% rel. Feuchtigkeit) wurden gummibeschichtete (raidhp) und unbeschichtete Proben gewogen und der E-Modul erfasst. Zusätzlich wurden die Hauptformänderungen mittels DIC-Messung (Aramis 6M) bei 500, 1000, 1500 und 2000 µϵ verglichen. Der prozentuale Gewichtsverlust, der unbeschichtet Proben, war mit 7,9 ± 0,4 % fast dreimal so groß wie bei gummibeschichteten Proben (p &lt; 0,000). Der E-Modul der unbeschichteten Proben erhöhte sich nach 21 h um im Schnitt 21% vom Ausgangswert (p = 0,0023). Bei den gummibeschichteten Proben war der Unterschied kleiner als 5% (p = 0,74). Die DIC-Messung ergab Unterschiede von 3 ± 8 % (2000 µϵ) bis 7 ± 28 % (500 µϵ) zwischen acryl- und gummibeschichteten Proben. Eine auf Knochen aufgesprühte Flüssiggummibeschichtung erhält in Langzeitversuchen die mechanischen Eigenschaften und ermöglicht präzise und zeitstabile DIC-Messungen. Zudem wurde eine Reduzierung der Geruchsbelastung festgestellt. Die Anwendbarkeit in Langzeitversuchen am menschlichen Knochen erfordert weiterführende Untersuchungen.

Frakturheilung

Priv.-Doz. Dr.

Experimental magnesium phosphate cement paste increases torque of trochanteric fixation nail advanced blades in human femoral heads

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Background: The use of polymethylmethacrylate cement for in-situ implant augmentation has considerable disadvantages: it is potentially cytotoxic, exothermic and non-degradable. Therefore, the primary aim of this study was to develop a magnesium phosphate cement which meets the requirements for in-situ implant augmentation as an alternative. Secondly, this experimental cement was compared to commercial bone cements in a biomechanical test set-up using augmented femoral head blades. Methods: A total of 40 human femoral heads were obtained from patients who underwent total hip arthroplasty. After bone mineral density was quantified, specimens were assigned to four treatment groups. A blade of the Trochanteric Fixation Nail Advanced was inserted into each specimen and augmented with either Traumacem V+, Paste-CPC, the experimental magnesium phosphate cement or no cement. A rotational load-to-failure-test (0◦ to 90◦) was performed. Findings: A conventional two-component magnesium phosphate cement failed in-situ implant augmentation consistently due to filter pressing. Only a glycerol-based magnesium phosphate paste was suitable for the augmentation of femoral head blades. While the blades augmented with Traumacem V+ yielded the highest maximum torque overall (22.1 Nm), the blades augmented with Paste-CPC and the magnesium phosphate paste also showed higher maximum torque values (15.8 and 12.8 Nm) than the control group (10.8 Nm). Interpretation: This study shows for the first time the development of a degradable magnesium phosphate cement paste which fulfills the requirements for in-situ implant augmentation. Simultaneously, a 48% increase in stability is demonstrated for a scenario where implant anchorage is difficult in osteoporotic bone. Fig. 1: Overview of specimen preparation steps: A guide wire and then the cannulated TFNA blade were inserted centrally in the femoral head. This was followed by augmentation of the blade with one of the three bone cements.

PuReBone: Adäquate Abbildung der menschlichen Populationsvariabilität in biomechanischen Tests von Osteosynthesen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Epoxid-Knochen, welche als Goldstandard für die mechanische Prüfung von Osteosynthesen gelten, bilden unrealistisch steife Osteosynthese-Konstrukte [1]. Zudem stammen deren Geometrien ausschließlich von männlichen, kaukasischen Spendern [2] und decken die menschliche Populationsvariabilität nicht ab. Um für die biomechanische Prüfung von Osteosynthesen die anatomischen und mechanischen Eigenschaften von bisher nicht berücksichtigten Populationen besser abbilden zu können, wurden Polyurethan (PU) basierte Knochenmodelle (PuReBone) entwickelt. Ziel dieser Studie war deren mechanische Validierung im Vergleich zu osteoporotischen humanen Spenderknochen. Femora wurden aus validierter PU-basierter Spongiosa [3] und Kortikalis [4] gefertigt. Die Anatomie wurde aus 94 CT-Datensätzen einer Population (weiblich, kaukasisch, 70 bis 85 Jahre, osteoporotisch) aus der SOMA Datenbank generiert [5]. Die PuReBone-Femora (n=5) wurden gegen osteoporotische menschliche Spenderknochen ([6], n=5, 84 ± 9 Jahre) in Vier-Punkt-Biegung (anterior-posterior (AP), medial-lateral (ML)) und in axialer Belastung getestet (Abb.1). Die Steifigkeiten wurden in einer Varianzanalyse, gefolgt von einem Tukey-Post-Hoc-Test verglichen. Sowohl in axialer Kompression (p=0.10) als auch in der Vierpunkt-Biegung (AP: p=0.90, ML: p=0.89) fanden sich keine signifikanten Unterschiede zwischen humanen und PuReBone Femora. Zusammenfassend entspricht das mechanische Verhalten der PuReBone-Femora jenem von menschlichen, osteoporotischen Knochen. Die Populationsvariabilität kann durch gezielte Auswahl der entsprechenden Geometrien realistisch berücksichtigt werden. Referenzen: [1] PMID:25468304 [2] PMID:37536838 [3] PMID:35247861 [4] PMID:33621867 [5] PMID:29791698 [6] PMID:32891014

Validation of a physiological relevant biomechanical test setup for the investigation of complex pelvic ring fractures

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Objective Fractures of the human pelvis can lead to disruption of the ring-shaped structure, resulting in mechanical destabilization, for which a variety of osteosynthetic treatment methods are available. The aim of this project is to design a test setup to determine the stability of different fixation methods for complex pelvic ring fractures under loading conditions that simulate human gait. Methods In the test setup, the load of the upper body and muscle forces are applied to a pelvis to be tested, alternately loading one side or the other depending on the gait phase. Since not all external forces acting on the pelvis can be recorded simultaneously during the cyclic test, the pelvis is only loaded on one side for validation. The measurement data recorded in this way are compared with the results of an Anybody-simulation of a 66 kg subject at the time of heel strike during walking (Soliman et al., 2023). Results The functionality of the test setup is shown in Fig. 1. The forces on the lumbosacral and hip joints are within a range of 20% of the forces determined in the simulation of Soliman et al. The forces on the muscle pulls are within a range of 30%, compared to the summarized muscle forces of the Anybody-simulation. Conclusion Up to now, biomechanical experiments on the pelvis have mainly been performed using single- or double-leg stance models. Because these do not fully account for the complex loading situation during gait, the new test setup was developed. Although simplifications were made, especially for the muscle forces, the load distribution agrees well with a multi-body simulation. The new test setup can be used to evaluate the fatigue strength of osteosynthesis used for complex pelvic ring fractures. Literature Soliman, Ahmed, et al. "Developing a Biomechanical Testing Setup of the Pelvis—Part I: Computational Design of Experiments." Journal of Biomechanical Engineering 145.10 (2023) Fig. 1 Rendering of the CAD-model of the test setup

Effects of brace wearing and rehabilitation on foot muscle thickness and cross-sectional area after ankle inversion trauma

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Patients suffering from chronic ankle instability (CAI) have lower intrinsic foot muscle volume than healthy controls1. While rehabilitation improves balance and extrinsic foot muscle strength in CAI2, it is unclear if the intrinsic foot muscle strength also increases. Also, little is known about the effect of brace wearing on these muscles after acute ankle inversion trauma. This study aims to analyse the effects of brace wearing and rehabilitation on intrinsic and extrinsic foot muscle thickness and cross-sectional area (CSA) of patients suffering from acute and chronic ankle instability. Nineteen patients (25±5 years) participated in a rehabilitation programme. Acute patients received an ultrasound assessment within one week of their injury. This was followed by a brace-wearing period of 6 weeks, whereafter rehabilitation started. Ultrasound assessments were performed at the beginning and after 12 weeks of rehabilitation. The muscle thickness and CSA were assessed for Tibialis anterior (TA), Peroneus longus, Flexor digitorum longus, Abductor hallucis, Flexor hallucis brevis (FHB), and Flexor digitorum brevis (FDB). The muscles were analysed individually and as group of in- or extrinsic muscles. A paired t-test was performed to analyse the effects of the brace wearing and 12-week rehabilitation. The brace wearing caused a significant reduction in muscle thickness of the FDB from 0.76 (0.12) to 0.71 (0,12) cm and of the FHB from 1.31 (0.17) to 1.20 (0.14) cm (Fig. 1). TA thickness increased from 0.56 (0.07) cm to 0.64 (0.06) cm. During the 12-week rehabilitation, a significant increase of the intrinsic foot muscles was observed (Table 1). Brace wearing in the acute phase is associated with up to 12% loss of intrinsic foot muscles and suggests the need to activate these muscles during this phase. With targeted rehabilitation, the intrinsic foot muscles recover. References Feger M, Orth J Spo Med 4(6): 1-8, 2016 Hou Z, J Foot Ankle Res 15(1): 9, 2022

Session 2
Frakturheilung

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