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

Prof. Dr.

Prof.Dr.

Dr.-Ing.

Derivation of a new loading approach for designing and testing of Total Knee Replacements (TKR)

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Knowledge of loads acting in TKR is essential for designing and testing. Data of Bergmann et al.1 builds a foundation for load determination. However, the data is bound to the patients investigated, which received a medium implant size. Objective 1) Matching the patient cohort studied by 1 with the one treated in clinics. 2) Development of a loading approach which considers implant size. Materials and Methods A literature review about distribution of patients regarding body mass index (BMI) was conducted and compared with the BMI of the patient cohort used by 1. For implant size load adaptation, a correlation between patients" height, weight and implant size was developed based on literature. This correlation was transferred to the medium femoral component size and extrapolated to smaller and larger sizes. Results Obese patients are categorized in different BMI groups. The patient cohort of 1 had a BMI of ~30, which is scaled to BMI ~34 using High100 data1. 9% to 27% of TKR patients showed a BMI≥35 and 1% to 10% showed a BMI≥40 depending on the patient cohort2,3. To cover highly obese patients (BMI~40) using a linear approach as 1, an increase in load magnitude of 18% is derived.Correlating body height with weight, implant size and its anterior/posterior dimension (APD) a generalized equation was derived based on 4: Weight=BMI*((APD*2.83-10.83)/100)2 Assigning this equation to an exemplary femoral portfolio scaling factors depicted in Table1 were calculated. Summary With this loading approach, a wider patient spectrum is covered, which especially refers to more obese patient collectives3. Scaling the load over the portfolio allows for more adequate loading of larger and smaller sizes leading to a more adequate design development and foundation for testing. References 1Bergmann et al.,PLoS ONE 2014 9(1):e86035 2Swedish Arthroplasty Registry 2022 3AOANJRR 2023 4Hu et al.,J Clin Res &amp; Rep 2020 3(1):e31579

Numerische Methoden und Studien (FEM, CFD, MKS)

ePoster-Kurzvortrag

Dr. techn. MSc.

Univ.-Prof. Dr.med.

Statistical analysis of shear tests on growth plate tissue: investigating individual variations and deformation dependencies

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: Finite element methods are used to simulate length growth on long bones [1]. In these models, the growth rate depends, indirectly through the principal and shear stresses, on the geometry of the model, the boundary conditions and the material properties. In this study, shear tests were conducted to investigate the material properties, which have been poorly studied to date. Objectives: Shear tests are carried out and evaluated to investigate the material properties. The statistical evaluation of the results will help to understand inter- and individual differences (growth plate (GP) types, location of the samples within the GP) and the influence of the shear rate. Methods: Rectangular bone-GP-bone samples were created from the proximal and distal femoral GP and the proximal tibial GP obtained from 5 porcine individuals. Only specimens with GPs straight and parallel to the top and bottom edges of the specimen were used for testing. For each of the chosen 302 test samples the anatomical location within the respective GP was known. For the experiments, the specimens were securely fastened above and below the GP and subjected to cyclic deformation at shear rates of either 0.04 °/s, 0.2 °/s or 0.5°/s, reaching a maximum deflection angle of 8° to 10° (Fig 1). After cyclic testing, the samples were allowed to relax for 5 minutes before being destroyed using an increasing amplitude up to 25° at the respective shear rate. Results: To analyse the results, the hysteresis as well as the tangent moduli at the beginning and end of the elastic region are examined and investigated in relation to the individual, GP type, anatomical location of the sample and shear rate. Conclusion: The shear test measurements indicate that a linear description of the material is not appropriate (Fig 2). The shear test results will be used to determine the material parameters for a more accurate material model in the future. References [1] Sadeghian (2023); J Biomech;157

Biologische Gewebe (Knochen, Knorpel, Muskel, Bänder, Meniskus, Organe)

Prof. Dr.-Ing.

Bestimmung des Elastizitätsmoduls durch Biegeversuche an Kortikalisproben mit ungleichmäßigem Querschnitt

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Hintergrund Balkenartige Kortikalisproben, welche nicht langen Knochen entstammen, sind gewöhnlich gekennzeichnet durch ungleichmäßige Querschnittseigenschaften entlang der Balkenachse und eine vergleichsweise große räumliche Variation der lokalen Materialeigenschaften. Die Nachbearbeitung oder Herstellung von Mikroproben sind hierbei nicht immer empfehlenswert. Laborübliche Biegeversuche bieten technische Vorteile zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls. Ziele Die Ermittlung eines geeigneten Auswerteverfahrens zur Bestimmung des mittleren Elastizitätsmoduls von balkenartigen Proben mit ungleichmäßigem Querschnitt. Materialien &amp; Methoden Insgesamt wurden 138 Proben menschlicher Beckenkortikalis entnommen und unter Biegebelastung getestet. Zusätzlich erfolgten Validierungsversuche an synthetischen Probekörpern. Die Verschiebungsmessung erfolgte sowohl konventionell als auch optisch. Zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls auf der Grundlage der gemessenen Verformungen wurden verschiedene, auf der linear-elastischen Biegetheorie des Balkens beruhende Methoden angewandt und deren Ergebnisse verglichen. Ergebnisse Die Ermittlung des Elastizitätsmoduls rein aus der Mittendurchbiegung erwies sich als nicht sinnvoll. Die Eliminierung von verfälschenden Einflüssen, wie der Auflagereindrückung, und die Berücksichtigung der Durchbiegungen an mehreren Punkten entlang der Balkenachse werden empfohlen. Fazit Eine Anpassung der gemessenen Durchbiegungen an die analytisch ermittelte Biegelinie des Balkens mit seinen ungleichmäßigen Querschnittseigenschaften wird als die geeignetste Methode zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls angesehen. Referenzen 1 Gebhardt, M., Steinke, H., Slowik, V., 2023. Determination of the Modulus of Elasticity by Bending Tests of Specimens with Nonuniform Cross Section. Exp Mech 63 (4), 743–758. 10.1007/s11340-023-00945-y. Abb. 1: Versuchsaufbau (oben) und mittels digitaler Bildkorrelation gemessene vertikale Verschiebungskomponente (unten) [1]

Prof.

Unveiling skin temperature response to localized muscular fatigue: an infrared thermographic exploration at M. Triceps surae

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: A substantial proportion of energy generated during muscle contraction dissipates as heat, a pivotal aspect of the body"s thermoregulation [1]. Despite general post-activity skin temperature increases [2,3], its potential use as a fatigue marker remains controversial. Aim: This study evaluates the sensitivity of skin temperature outcomes to an exercise protocol inducing acute fatigue in the M. triceps surae (TS). Materials &amp; Methods: 41 participants (24.7 ± 4.3 yrs) underwent pre-, immediately post-, and 10 min post-fatigue thermographic imaging targeting the lower posterior leg area. The Region of Interest (ROI) included the lateral (TSL) and medial (TSM) portions of the TS. The fatigue protocol involved three sets of single-leg calf raises until subjects could no longer sustain the prescribed movement amplitude. Analyzed parameters, including maximal and mean temperature, underwent inferential statistical tests for data analysis. Results: The skin temperature of the TSM was significantly higher than the TSL at all time points. Maximum skin temperature at the TSM and TSL significantly increased immediately post-fatigue and 10 min later compared to baseline (Table 1). Regarding mean skin temperature, significant increases at the TSM and TSL were exhibited when comparing 10 min post-intervention versus the other two time points. However, no significant immediate mean temperature increase was observed after fatigue. Summary: Skin temperature responses to fatigue differed between the TSL and TSM. Maximum skin temperature demonstrated greater sensitivity to acute fatigue. Future investigations should explore additional temperature parameters and evaluate the repeatability of the observed responses. [1] Krustrup et al., J Physiol, 549(1), 255–269 (2003). [2] da Silva et al., Physiol Meas, 39(10), (2018). Table 1: Mean ± SD of mean and maximum skin temperature [°C] A, B, C, D, E, F, G, and H p&lt;0.05 pre vs. post comparisons and * p&lt;0.05 TSL vs. TSM

Structure–function relationship is altered with aging and degeneration in the human meniscus

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: The elastic and viscoelastic properties of degenerated menisci may change before alterations are detectable in the adjacent articular cartilage1. Aim: The aim of this study was to identify changes in the structure-function relationship of lateral and medial menisci during aging/degeneration. Materials &amp; Methods: Twelve mildly (age: 47±11) and 12 severely (age: 82±9) degenerated human medial and lateral menisci were investigated (Fig. 1A). Confined stress-relaxation tests were performed to assess permeability (k) and equilibrium modulus (Eeq), and tensile tests to determine Young"s modulus (E) and failure load (Fmax). DNA, glycosaminoglycan (GAG) and collagen were quantified. Collagen type I (COL1), COL2 and aggrecan (ACAN) were analyzed by immunohistochemistry in different meniscus regions (Fig. 1A,B). Statistics: Kruskal-Wallis test (significance, p&lt;0.05). Results: Eeq increased with degeneration (p&lt;0.05, Fig. 2A), without affecting k (p&gt;0.76, Fig. 2B). The tensile properties were not altered with degeneration (p&gt;0.16). While GAG increased, collagen decreased with degeneration, both in lateral (p&lt;0.05) and medial (p=0.06) menisci. A progressive destruction of the collagen structure was observed without significantly affecting COL1 or COL2 (p&gt;0.20, Fig. 1C,D). ACAN increased with degeneration, particularly in lateral menisci (p&lt;0.05, Fig. 1E) and in the white-white zone (zone 1, p&lt;0.05, Fig. 1F). Discussion: This work indicates that structural changes may be detectable at protein level before biomechanical alterations can be observed. The increase in Eeq may be explained by a disturbed relationship in the biphasic meniscus structure possibly resulting from an increase in GAG. This data can be used to validate in silico determination of meniscus material parameters, with special focus on the early detection of osteoarthritis. References: 1. Seitz et al., 2021. Acknowledgements: DFG (AS3135/2-1), ON Foundation (21-340).

Integration eines piezoelektrischen Energy-Harvesting-Systems in einen zementfreien Hüftrevisionsstiel

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Instrumentierte Hüftimplantate mit sensorischer und aktiver Funktion zur Überwachung implantat- und patientenspezifischer Parameter sollen in Zukunft helfen, die Herausforderungen der steigenden Zahlen an Implantationen von Hüftendoprothesen zu meistern [1]. Vor Kurzem wurde ein piezoelektrisches Energie-Harvesting-System (EHS) erfolgreich in einen zementierten Hüftendoprothesenstiel integriert [2]. Um diese autarke Energieversorgung als therapeutische Maßnahme zur lokalen Erhöhung der periprothetischen Knochendichte nutzen zu können, sollte das EHS in einen zementfreien Revisionsstiel integriert werden. Es sollte das EHS in einen ausgewählten zementfreien Revisionsstiel derart integriert werden, sodass eine möglichst hohe elektrische Leistung gewandelt wird, bei Berücksichtigung der mechanischen Implantatstabilität. Mithilfe einer numerischen Beanspruchungsanalyse wurde zunächst eine mögliche Position des EHS im Revisionsstiel ermittelt. Dafür wurde ein Finite-Elemente-Modell des Revisionsstiels in einem künstlichen Femur erstellt. Es wurden physiologische Randbedingungen zum Zeitpunkt der maximalen Hüftgelenkkontaktkraft beim Gehen verwendet. Es zeigte sich bei Simulation eines femoralen Knochendefektes 3A nach Paprosky eine maximale Druckspannung von 174 MPa im distalen und eine maximale Zugspannung von 153,8 MPa im Halsbereich des Revisionsstiels (Abb.1). Die in dieser Arbeit erzielte mechanische Beanspruchungsanalyse des Revisionsstiels gibt erste Aufschlüsse über die geeignete Positionierung des Piezoelementes. Zukünftig soll Material aus dem Revisionsstiel in Form verschiedener Kavitäten zur Integration des Piezoelementes entfernt werden und das modifizierte Hüftimplantat auf mechanische Stabilität untersucht werden. Abbildung.1: Ergebnisse der Druck- und Zugspannungen zum Zeitpunkt der maximalen Hüftgelenkkontaktkraft beim Gehen. Referenzen Ledet et al., Innov. Entrep. Health, 5 (41–51), 2018. Lange et al., Smart Mater. Struct., 29 (115051), 2020.

Biomechanical investigation of positive reduction in the femoral neck fracture

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Achieving an anatomic reduction is critical for patients with femoral neck fractures (FNFs), but can be challenging in certain cases. The concept of 'Gotfried positive reduction' offers an alternative approach for such situations. This concept entails positioning the distal femoral neck fragment at the inferior medial edge of the proximal fragment in the anteroposterior (AP) view. However, in some clinical cases, increasing the Gotfried positive reduction may result in internal fixator failure and even hip varus. Objective The aim of this study is to analyze the effect of Gotfried's positive reduction on the FNF with different Pauwels angles. Methods 3D models representing negative, anatomic, and positive femoral neck fracture (FNF) reductions stabilized with dynamic hip screws (DHS) and cannulated screws (CS), each associated with different Pauwels groups (Pauwels I, II, and III), were generated using finite element (FE) technology based on CT data. A 2100N load was applied to the femoral head in alignment with the mechanical axis of the femur. Parameters investigated, included von Mises stress, displacement, and von Mises strain. The stress distribution of the internal fixation was chosen as the key indicator to assess stability. Results The anatomic reduction model showed the minimum von Mises stress of the internal fixator for three groups (68.487 MPa, 98.991 MPa, and 161.11 MPa). With increasing positive reduction, there was a proportional increase in stress within the internal fixation. For Pauwels type I and type II FNFs, positive reductions of 1 mm (86.042 MPa, 115.3 Mpa) and 2 mm (108.77 MPa, 151.7 Mpa) were considered acceptable. For Pauwels type III FNFs, a positive reduction of 1 mm (167.9 Mpa) was acceptable. Negative reduction should be avoided. Conclusion Excessive positive reduction may increase the risk of internal fixation failure in FNF.

Mechanische Charakterisierung eines multifunktionalen hybriden Implantatwerkstoffes aus ATZ und additiv gefertigter Ti-35Nb-6Ta Legierung

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Ein multifunktionaler Verbund aus einer Oxidkeramik und einer Titanlegierung sind vielversprechende Werkstoffkandidaten für Gelenkersatz-Implantate, indem diese die Korrosions- und Abriebbeständigkeit erhöhen und darüber hinaus die Knochen-Implantat-Interaktion verbessern [1,2]. Das Ziel dieser Studie war die mechanische Untersuchung von Hybridwerkstoffen aus einer ATZ Keramik und β-phasigem Ti-35Nb-6Ta, welches durch selektives Laserstrahlschmelzen hergestellt wurde. Weiterhin wurden Funktionsdemonstratoren, die den Flexionsbereich der Femurkomponente einer Knieendoprothese (Abb. 1A) darstellen, biomechanisch untersucht. Der Verbund aus der ATZ Keramik und additiv gefertigtem Ti-35Nb-6Ta wurde mittels Glaslottechnologie gefügt. Im Anschluss wurden Scherfestigkeitsuntersuchungen (nach ASTM F1044) und darauf aufbauend biomechanische Untersuchungen an Funktionsdemonstratoren durchgeführt. Diese Untersuchung erfolgte in einem 6-Freiheitsgrad Gelenksimulator (ViVoTM, Advanced Mechanical Technology, Watertown, MA, USA) unter Aufbringung des in der ISO 14243-1 beschriebenen Gangzyklus (Abb. 1B) über 10.000 Zyklen. Durchläufer dieser zyklischen Belastung wurden in einer Prüfmaschine (8874 Instron, Norwood, Massachusetts, USA) mit einem Rotationsmoment, welches eine Scherspannung innerhalb der Glaslotverbindung induzierte, beaufschlagt und bis zum Versagen belastet. Die Scherfestigkeit der Hybridprobekörper aus ATZ und Ti-35Nb-6Ta betrug 26,4 ± 4,2 MPa. Alle untersuchten Funktionsdemonstratoren durchliefen die zyklische Belastung ohne sichtbare Schädigung. Das maximal ertragbare Rotationsmoment betrug 40,7 ± 2,2 Nm. Die Studienergebnisse zeigen, dass die entwickelten hybriden Funktionsdemonstratoren biomechanisch relevanten Belastungen standhalten können. [1] Bahraminasab et al., Mater. Des., 2013 [2] Mick et al., Materials, 2014

Materialien & Tribologie

PD Dr.

Entwicklung eines Systems für die Versorgung von Insuffizienzfrakturen des Sakrums ohne zusätzliche intraoperative Bildgebung

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Für die Versorgung von Insuffizienzfrakturen des Sakrums und Instabilitäten des Iliosakralgelenks gibt es verschiedene Behandlungsmethoden. Primär wird Kompression auf die Fraktur mithilfe von Schraubmechanismen aufgebracht. Eine sichere Navigation ist dabei essenziell, um ein gutes klinisches Outcome zu gewährleisten und Komplikationen zu vermeiden. Ziele Es sollte im Rahmen der Studie ein infrastruktur-unabhängiges Navigationssystem für die sichere Platzierung transiliosakraler Implantate für Insuffizienzfrakturen des Sakrums entwickelt werden. Materialien &amp; Methoden Es wurden zwei Methoden der Navigation im Bereich der S1- und S2-Korridore verfolgt. Initial erfolgte die Entwicklung eines Schablonensystems, welches anhand anatomischer Landmarken die sichere Platzierung des K-Drahtes über Haltehaken ermöglichen sollte. Dem gegenübergestellt wurde ein Platzierungssystem basierend auf zwei vor-implantierten Knochenankern, welche zusammen mit dem Führungsrohr eine 3-Punkt-Auflage definieren. Mittels digitaler OP-Planung sollte dies die millimetergenaue Platzierung des K-Drahts als Implantations-Leitstruktur gewährleisten. An Kunstknochen und teilweise auch am Körperspender wurden die Methoden getestet. Ergebnisse Die haltehakenbasierte Methode zeigte am Kunstknochen eine gute Genauigkeit in beiden Korridoren mit geringen Abweichungen der realen von der geplanten Trajektorie. Testungen am Körperspender verliefen nicht zufriedenstellend, da die Navigation aufgrund des Weichgewebemantels zu unpräzise war. Bei osteoporotischem Knochen erwiesen sich die Haltehaken als problematisch, da eine Beschädigung des Knochens aufgetreten ist. Das ankerbasierte Platzierungssystem zeigte bereits am Kunstknochen deutlich verbesserte Ergebnisse. Zusammenfassung Die digitale OP-Planung zur Platzierung eines transiliosakralen Implantats auf Basis von knochenankergestützer Schablonen-Navigation stellt ein vielversprechendes Vorgehen zur Komplikationsreduktion jener Versorgung dar.

Frakturheilung

Nanoindentation on tendon tissue: Surprising findings and open questions

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Background: Biomechanical testing of tendons is commonly performed by uniaxial tensile stretching along collagen fibre orientation. So far, only little is known about tendon biomechanical response to compression on a nanoscale, which may provide information on tissue quality not achievable by tensile testing. Aims: It is the aim of this study provide first insight to the behaviour of healthy and injured tendon under compressive forces. Material and methods: Cryosections of unfixed healthy rat patella tendons derived from male SD rats and from tendons 2, 4 and 6 weeks after creating a 2 mm punch defect were examined with a Chiaro Nanoindenter (Optics11 B.V.). Measurements were performed at several time points after immersion, either in Phosphate Buffered Saline (PBS) or 8% polyethylene glycole (PEG) in PBS. For indentation, a cantilever with a stiffness of 0.5 N/m and a sphere tip with a radius of 52 µm was used. Stiffness was calculated using the Hertzian model. Results: In healthy tendons, E(eff) declined from 23.4±3.6 kPa after 5 minutes to 11.3±2.9 kPa after 60 minutes, stiffness of the tendon defect area only declined from 4.9 ± 1.4 kPa after 5 Minutes to 3.6± 1.1 kPa after 60 minutes (Figure 1). Interestingly, reprobing samples after rinsing in water and drying resulted in higher elastic modulus (35.8±4.7 kPa at 5 minutes after PBS immersion). Immersion in 8% PEG after 5 minutes hydration in PBS lead to an average stiffness of 135± 34.1 kPa after 10 minutes. Discussion: The observed decline in elasiticity modulus due to PBS immersion needs to be considered for longer lasting measurements like surface mapping studies. Moreover, the use of PEG to avoid tissue swelling as it has been shown for tensile testing of tendons is not suitable for tendon nanoindentation. As nanoindentation measurements can only be performed in aqueous solutions, the &quot;in vivo degree of hydration&quot; remains an unknown variable, favouring semiquantitative, whithin- experiment analyses.

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Gewebe und Nummerik

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