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

Prof. Dr.

Dr.sc.med.des

Die Rolle von Genetik und Umwelt in der Form und Funktion des menschlichen Fußes: Erkenntnisse aus einer Zwillingsstudie

Gang- und Bewegungsanalyse

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Die Morphologie und Funktion des menschlichen Fußes zeigen eine beträchtliche interindividuelle Variabilität. Vorangegangene Studien beschäftigten sich hauptsächlich mit den Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf die interindividuelle Variabilität menschlicher Füße. Allerdings konnte in diesen Studien nicht berücksichtigt werden, dass Menschen genetisch unterschiedlich sind, was wiederum zu einer Unterscheidung in der Anatomie ihrer Füße führt. Ziele: Diese Studie hatte zum Ziel, genetische Determinanten der Fußform und -funktion zu untersuchen. Unter Verwendung eines Zwillingsstudien-Designs sollte das Zusammenspiel von Anlage und Umwelt in Hinblick auf die die interindividuelle Variabilität menschlicher Füße beleuchtet werden. Materialien und Methoden: In 18 Zwillingspaaren wurde die Ähnlichkeit der Fußform, insbesondere der Fußlänge und Längsgewölbehöhe, sowie der kinematischen Kopplung zwischen dem Metatarsophalangealgelenk (MTP) und dem medialen Längsgewölbe (MLA) bei Zehen- und Fersenbewegungen – häufig als Windlass-Mechanismus beschrieben – untersucht (Abbildung 1). Ergebnisse: Unsere Ergebnisse zeigten eine starke Ähnlichkeit in Fußlänge (ICC: 0,93; p &lt; 0.01) und Längsgewölbehöhe (ICC: 0,77; p &lt; 0.01) zwischen identischen Zwillingen, was auf einen deutlichen Einfluss der Genetik hinweist. Im Vergleich dazu zeigten die kinematischen Untersuchungen schwächere Verbindungen bei der MTP-MLA-Kopplung zwischen Zwillingspaaren (ICC: 0.24 und 0,23; jeweils für Zehen- und Fersenheben). Zusammenfassung: Die Erkenntnisse unserer Studie deuten darauf hin, dass Aspekte der Fußmorphologie zwar hauptsächlich genetisch bedingt sein können, die Funktionalität jedoch stark an Umweltfaktoren anpassbar zu sein scheint, darunter möglicherweise körperliche Aktivität oder Schuhgebrauch. Diese Befunde betonen die Wichtigkeit einer differenzierten Betrachtung. Abbildung 1: Markerbasierte Erfassung der Fußfunktion bei Zehen- und Fersenbewegungen (A und B).

Vortrag

PD Dr.

Serum COMP concentrations in response to 5 days of immobilization in female and male participants

Mechanobiologie, regenerative und zelluläre Biomechanik

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: In healthy male participants, bed rest immobilization leads to alterations in serum cartilage biomarker concentrations [1], while in females this effect has not been investigated to date. Cartilage oligomeric matrix protein (COMP) is a mechanosensitive biomarker of cartilage degeneration [2]. Dry immersion (DI) is an immobilization model that simulates a support-free environment and restricts movement. We aimed to examine serum COMP (sCOMP) concentrations in females compared to males during 5 days of DI immobilization. Methods: This study was conducted at the Institute de Médecine et de Physiologie Spatiales (MEDES), Toulouse, France. 18 healthy females (29±5 years, 165±6 cm, 59±6 kg) and 19 males (28±4 years, 177±4 cm, 72±7 kg) underwent 4 days of baseline data collection (BDC), 5 days of DI (24 hrs/day), and 3 days of recovery (R) (Figure 1). Fasting venous blood samples were collected on BDC-50h, BDC-26h, DI46h, DI118h and R+46h. sCOMP concentrations were analyzed by commercially available ELISA (BioVendor R&amp;D®). Repeated measures ANOVA (LSD post-hoc test) with sex as between-subjects factor was performed. Results: sCOMP levels did not differ between females and males (p=0.831, Table 1). Consequently, they were pooled for further analysis. DI led to a substantial decrease in sCOMP levels (p&lt;0.001) and a subsequent increase (p&lt;0.001) to BDC levels during remobilization. Conclusion: sCOMP concentrations were clearly reduced after 46hrs of DI, with no sex differences, indicating perturbed cartilage metabolism. The observed reduction in sCOMP was more pronounced during DI (-35%) compared to the effect measured in a previous 5 days bed rest study (-23%) [1]. [1] Liphardt AM et al., J Orthop Res. 38:2373-2382, 2020 [2] Tseng S et al., Biomark Insights. 4:33-44, 2009 Acknowledgements: European Space Agency, Federal Ministry of Economic Affairs and Energy, Germany (DLR 50WB2021, DLR 50WB2022), participating volunteers, MEDES study team, Toulouse, France.

Prof. Dr.-Ing.

Priv.-Doz. Dr.-Ing.

Investigation of biomechanical properties of braided, long-term biodegradable scaffolds for anterior cruciate ligament tissue engineering

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction ACL injuries are a common sports injury and ligaments have limited self-healing capabilities. The current treatment methods rely on autologous implants, which are limited by availability and donor site morbidity. Synthetic ACL are rarely used due to their shortcomings in long-term mechanical stability and friction resistance. Tissue engineering offers a new approach by using scaffolds that provide temporary mechanical stability and promote cell ingrowth to regenerate a functional ligament. This study aims to investigate the potential of long-term degradable scaffolds for ACL replacement, utilizing three different braiding technique. Methods The scaffolds were manufactured using round, hexagonal and linear braiding with melt-spun PCL monofilaments [1]. Three variations of scaffolds were examined. A uniaxial tensile test with a gauge length of 40 mm comparable to the length of the ACL was conducted. The effect of the braiding technique on the maximum tensile load, elongation, and stiffness was evaluated. A cyclic tensile test with the load of walking (210 N) was performed for 500000 cycles with a frequency of 1,6 Hz. Results The braided scaffolds exhibit a tensile strength of 3460-4110 N, surpassing the ACL's tensile strength range of 734-2160 N [2]. The scaffolds are designed to fit within the surgical bone channel diameter of 9 mm. The linear region stiffness of the braids ranges from 186 - 212 N/mm, which is comparable to the native ACL stiffness range of 180-242 N/mm [2]. The laxity of the synthetic ACL caused by creep must not exceed 3-5 mm. [3] The plastic deformation is between 1.0 -1.3 mm for all tested scaffolds. The results show that the requirements for the initial mechanical properties of the ACL as well as the long-term stability can be fulfilled. References Bauer et al., Fibers, 10(3):23, 2022 Noyes, F. R. et al., J of Bone and Joint Surgery, 58, 1976 Vieira, A. C., et al.: J of Biomechanics, 2009

Investigation of the elastic properties throughout hydrolytic degradation of various high-strength fiber materials for textile tendon and ligament scaffolds

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Textile processes allow for the fabrication of scalable, 3d-porous scaffolds with adjustable strength and stiffness to match the properties of the native tendons or ligaments. Besides primary stability and strength retention during biodegradation, the elastic properties of the scaffold during multiple loading cycles are a crucial but rarely investigated aspect. In this study, several high-strength long-term biodegradable fibers from different Polycaprolactone (PCL)-materials are investigated in terms of their elastic properties over the duration 36 weeks of in vitro hydrolytic degradation. Materials and Methods Filaments were melt spun from five different PCL (see Table) as well as from a PCGL copolymer using a single-screw spinning plant (Fourné Maschinenbau, Germany). The fibers were produced at the highest macromolecular orientation achievable. Segments of the fibers were placed in Phosphate Buffer Solution (PBS) at 37°C for up to 36 weeks in order to mimic the hydrolytic degradation in the human body. At discrete time points of 0, 8, 12, 16, 24, 36 weeks samples were subjected to mechanical characterization. Cyclic uniaxial tensile tests were performed at a strain rate of 200%/min with 180 loading cycles with a load derived from the force within the ACL during running. Results A pronounced dependence of the elastic behavior from the base material was observed. Fibers from PC08 and CG955 already failed after 8w of degradation followed by PC12 after 24w while the high-molecular weight PCL candidates mostly maintained their elastic properties throughout the 36 weeks. The elasticity retention after 24w of degradation (compared to prior degradation) varied between 0% (failed samples) to 98% for C100 and 99% for both Sigma 80 and Capa6800, respectively. Conclusion Elasticity retention during degradation is an important aspect of a functional tendon or ligament replacement. The choice of the material highly affects whether this can be fulfilled.

Evaluation eines individualisierten Diagnostik- und Trainingskonzepts zur Reduktion muskulotendinöser Dysbalancen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Dysbalancen zwischen Muskelkraft und Sehnensteifigkeit können die Beanspruchung der Sehne erhöhen. Die frühzeitige Identifikation muskulotendinöser Dysbalancen und ein entsprechend individualisiertes Training könnten daher zur Verletzungsprävention der Sehne beitragen. Ziel Ziel der Studie ist es durch ein individualisiertes Diagnostik- und Trainingskonzept Muskel-Sehnen Dysbalancen bei Leistungssportler:innen zu identifizieren und eine ausgewogene Adaptation von Muskel und Sehne zu bewirken. Methoden In jeweils einer Kontroll- und Interventionsgruppe nahmen 26 männliche und 37 weibliche jugendliche (13-16J.) und 22 männliche erwachsene Athlet:innen teil. An 4 Messzeitpunkten in einer Saison wurden während maximaler isometrischer Kontraktionen die Kraft der Knieextensoren, die Patellarsehnensteifigkeit und -dehnung bestimmt, um Muskel-Sehnen Dysbalancen zu identifizieren. Darauf basierend absolvierten die Interventionsgruppen individualisierte Übungen (3x/Woche) je nach Bedarf zur Anpassung der Sehne (Intensität ~5.5% Sehnendehnung) oder des Muskels (submax. Last zur Ermüdung). Mit einem gemischt linearen Modell wurden zeit- und gruppenabhängige Entwicklungen analysiert. Ergebnisse Bei den Jugendlichen zeigten die Interventionsgruppen geringere Fluktuationen der maximalen Sehnendehnung (p&lt;0.05) und einen geringeren Anteil von Athlet:innen mit erhöhter Sehnendehnung ≥9%. In der Interventionsgruppe der Erwachsenen reduzierten sich die Fluktuationen der Sehnendehnung mit der Zeit (p&lt;0.05), während in der Kontrollgruppe der Anteil von Athleten mit Sehnendehnungen ≥9% zunahm. Zusammenfassung Das individualisierte Diagnostik- und Trainingskonzept bewirkte eine Reduktion der Fluktuationen der maximalen Patellarsehnendehnung über die Zeit und eine geringere Prävalenz stark erhöhter Sehnendehnungen bei Jugendlichen. Da eine erhöhte maximale Sehnendehnung das Risiko für Sehnenbeschwerden steigert, kann das Konzept zur Verletzungsprävention der Sehne beitragen.

Prof. Dr. Dr.

Prof.

Prof.  Dr.

Dr. med. dent.

Tumorassoziierte Fibroblasten und biomechanische Kräfte in der Mikroumgebung von Tumoren modulieren deren invasives Potential

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Im menschlichen Körper sind alle Zellen in ein wohl definiertes Gerüst aus Extrazellularmatrix eingebettet und so ständig mit den mechanischen Kräften und physikalischen Eigenschaften der sie umgebenden gewebsspezifischen Matrix konfrontiert. Im Rahmen der Tumorentstehung in der Mundhöhle kommt es zu tiefgreifenden Veränderungen der Extrazellularmatrix durch tumorassoziierte Fibroblasten. Ziel der vorliegenden Studie war es zu untersuchen, welchen Einfluss tumorassoziierte Fibroblasten auf Tumorzellen haben und wie dynamische biomechanische Reize das migratorische Potential von Fibroblasten und Tumorzellen beeinflussen können. Materialien und Methoden: Im Rahmen der Studie wurden primäre Fibroblasten sowohl aus gesunder Mukosa als auch aus Tumoren isoliert und in Zellkulturen überführt. Mit Hilfe eines computergesteuerten Bioreaktorsystems wurden diese in vitro kultivierten Zellen dann zyklischen biomechanischen Zugbelastungen ausgesetzt. Im Anschluss wurden sodann Proliferation und Migration untersucht. Ergebnisse: Die Untersuchungen zeigten, dass tumorassoziierte Fibroblasten einen erheblichen Einfluss auf das proliferative und migratorische Potential von Tumorzellen nehmen können. Weiterhin konnten wir erstmals zeigen, dass dynamische biomechanische Reize das migratorische Potential von tumorassoziierten Fibroblasten erhöhen können und mechanisch stimulierte Fibroblasten orale Plattenepithelkarzinomzellen ebenfalls zur Migration anregen. Zusammenfassung: Unsere Daten zeigen, dass tumorassoziierte Fibroblasten und biomechanische Prozesse im Rahmen der Tumorentstehung und -progression eine wichtige Rolle spielen. Daher sollten tumorassoziierte Fibroblasten und durch sie bedingte biomechanische Veränderungen noch mehr als bisher bei Diagnosestellung und Therapie von Tumoren miteinbezogen werden. Diesem Ziel wollen wir uns in einem Folgeprojekt nun nähern.

Die biomechanischen Eigenschaften humaner Menisken variieren mit dem verwendeten Prüfprotokoll

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

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Fragestellung: Die biomechanische Charakterisierung von Meniskusgewebe ex vivo ist insbesondere für die Entwicklung geeigneter Meniskusersatzmaterialien von zentraler Bedeutung. Bislang wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Testkonfigurationen (unconfined, confined, indentation), Testmodi (stress relaxation, creep, cyclic) und Protokolle verwendet, was den Vergleich der jeweiligen Ergebnisparameter extrem erschwert und zu Fehlinterpretationen führt. Ziel war es daher, prüfungsspezifische Merkmale zu identifizieren, die zu Unsicherheiten bei der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des Meniskus beitragen, die aus gängigen quasistatischen und dynamischen Zug-, Druck- und Scherprüfungen abgeleitet werden. Methoden: Es wurde eine systematische Datenbankrecherche in PubMed, Web of Science, Cochrane Library und Science Direct durchgeführt. Die Zulassungskriterien wurden entsprechend der folgenden Leitfrage gestaltet: Wie wirken sich Variationen in den Prüfprotokollen auf die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des humanen Meniskus aus? Ergebnisse: Die Suche ergab insgesamt 3770 Treffer, nach Anwendung der Ausschlusskriterien blieben 53 Studien übrig (Abb. 1). Der elastische Zugmodul unterschied sich in allen Regionen um das bis zu Zehnfache (Abb. 2A). Der elastische Kompressionsmodul hing stark von dem für die Auswertung verwendeten mathematischen Modell und der Höhe der aufgebrachten Last ab und variierte zwischen 0,06 MPa und 353,40 MPa. Das Gleichgewichtsmodul sowie die hydraulische Permeabilität unterschieden sich je nach Prüfverfahren um das bis zu 28-fache (Abb. 2B-C). Schlussfolgerung: Die großen Unterschiede in den biomechanischen Eigenschaften des Meniskus konnten hauptsächlich auf Variationen im Testaufbau, im Testprotokoll und in der Demographie der Kohorte zurückgeführt werden. Diese Arbeit unterstreicht den unerfüllten Standardisierungsbedarf und die Notwendigkeit von Berichtsrichtlinien für die mechanische Charakterisierung von Meniskusgewebe.

Differences in human muscle and tendon adaptation to mechano-metabolic stimuli

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Tendon&quot;s delayed response to rapid improvements in muscle strength during exercise could lead to an imbalanced adaptation within muscle-tendon unit (MTU) and place tendon under a higher mechanical demand (i.e. increased tendon strain).1 The current study investigated the temporal dynamics of muscle-tendon adaptation and if differences in mechano-metabolic sensitivity can cause non-uniform adaptation within the triceps surae (TS) MTU. Twelve young male adults participated in a 12 week resistance exercise intervention 3x week using 3 sets of cyclic isometric plantarflexion contractions at 80% of MVC until failure failure to induce a high TS activity and hence metabolic stress. Mechanical load was varied by exercising one leg at short (plantarflexed, PF) and the other at long (dorsiflexed, DF) MTU length. Every 2 weeks TS MTU mechanical, material and morphological properties were examined using ultrasonography, dynamometry and MRI. We could confirm our hypothesis that tendon would show higher sensitivity towards the experienced tendon strain than to metabolic stress exercise as only for DF leg an increase (p&lt;0.05) in tendon stiffness, Young&quot;s modulus and tendon size were detected following the 12-week exercise intervention. The PF leg showed a continuous increment in maximal AT strain (i.e. higher mechanical demand) over the exercise period with no changes in its biomechanical properties. Further, we could verify a higher rate of muscle adaptation compared to tendon as well as its independence from the magnitude of mechanical load to hypertrophy or increase its strength, as the rate and magnitude adaptive changes in TS morphological and mechanical properties were not different between DF and PF condition. Hence, these differences in the sensitivity to mechano-metabolic stimuli between muscle and tendon may temporarily cause MTU imbalances that could have implications for the risk of tendinous tissue overuse injury. 1Mersmann et al. (2017) Front Physiol

Session 6
Mechanobiologie, regenerative und zelluläre Biomechanik

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