Untersuchung von Wasserstrahl geschnittenen knöchernen Interferenzschrauben zur Kreuzbandplastik mittels FEM

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1 44. Arbeitskreis Wasserstrahltechnologie Untersuchung von Wasserstrahl geschnittenen knöchernen Interferenzschrauben zur Kreuzbandplastik S. Besdo 1, J. Klodmann 1, Christian Biskup 2, S. Schmolke 3, A. Andrea 4, Fr.-W. Bach 2, K-H Waldmann 4 1 Institut für Kontinuumsmechanik, Leibniz Universität Hannover 2 Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover 3 Orthopädische Klinik, Medizinische Hochschule Hannover 4 Klinik für kleine Klauentiere, tierärztliche Hochschule Hannover

2 Motivation Vorderes Kreuzband: Knie stabilisierendes Band verläuft in der Mitte des Kniegelenks Im Fall einer Überlast kann das Kreuzband reißen Im Fall aktiver Patienten ist es angebracht, das Kreuzband zu rekonstruieren

3 Motivation Mögliche Operationstechnik zur Kreuzbandplastik: Verwendung des Mittelteils der Patellasehne, die so entnommen wird, dass an jedem Ende ein kleiner Knochenblock mit der Sehne verbunden ist. Diese Sehne wird im Ober- und Unterschenkelknochen mittels Interferenzschraube befestigt.

4 Es sind Interferenzschrauben aus verschiedenen Materialien auf dem markt erhältlich. Implantate aus medizinischem Stahl oder Titan verbleiben im Körper. Schrauben aus PLA sind biodegradabel, sie lösen sich im Körper auf. Nachteil von PLA, es kann allergische Reaktionen auslösen. Neue Verfahren ermöglichen es Schrauben aus biologischem Material wie Knochen herzustellen.

5 Herstellung von Schrauben aus Knochen mit herkömmlichen Verfahren ist möglich, aber wegen der Knochenstruktur problematisch. Mikroskopaufnahme: Anschliff Felsenbein microct-aufnahme: kompakter Knochen

6 Neben den Problemen mit der inneren Struktur des Knochens muss auch genügend Knochenmaterial für eine Schraube zur Verfügung stehen. Lösung: Herstellung von Interferenzschrauben aus kompaktem Rinderknochen mittels Wasserstrahlschneiden. Rinderzellen werden mit dem Tutoplast Prozess zerstört.

7 Untersuchungen zum Einschraubverhalten (IW)

8 Untersuchungen zum Einschraubverhalten (FEM) Werkzeug FE-Modell zur Untersuchung verschiedener Werkzeuggeometrien Knochenblock Untersuchte Werkzeuggeometrien

9 s Mises max = 11,797 N/mm² s Mises max = 6,636 N/mm² s Mises max = 2,925 N/mm² s Mises max = 2,217 N/mm² s Mises max = 2,526 N/mm² s Mises max = 5,174 N/mm²

10 Die dreieckige, viereckige und sechseckige Werkzeuggeometrie lieferten in der Simulation die geringsten Spannungen im Knochenblock. Die dreieckige Struktur schnitt im Experiment am besten ab. Experiment und Simulation zeigten, dass das Werkzeug tordiert.

11 Variation der Interferenzschraubengeometrie Variation der Gewindesteigung Variation des Eingangswinkels Variation des Ausgangswinkels Gewindelänge, Ausgangsdurchmesser und Kerndurchmesser konstant

12 Variation der Gewindegeometrie unter Berücksichtigung der Möglichkeiten des Wasserstrahlschneidens

13 tendon Patellasehne Finite Element Modell für den Knochen Sehnen Schrauben - Verbund Kompakter cortical Knochen bone screw Schraube Spongiöser trabecular bone Knochen Simulation des Auszugversuches: Feste Einspannung des Knochenblocks, Reibung zwischen Schraube und Knochenblöcken und Sehne und Knochenblock

14 Kompakta zu Spongiosa: Reibkoeffizient = 0.5 Spongiosa zu Sehne: Reibkoeffizient = 0.25 Kompakta zu Sehne: Reibkoeffizient = 0.1

15 Finite Element Simulation Auszugversuch Bei allen Schrauben tritt die maximale Belastungen der Schraube auf der Höhe des Übergangs vom Knochenblock zur Sehne und gegenüberliegend auf der Höhe der kortikalen Schicht des Knochenblocks auf.

16 Finite Element Simulation Eindrehversuch Die Belastung der Schraube in distaler Richtung nimmt zu. An den Gewindeflanken nehmen die Spannungen entgegen der Drehrichtung ab. Im oberen Teil der Schraube werden die Spannungen von der Werkzeugaufnahme zur Gewindeflanke hin geringer. Am unteren Ende werden die auftretenden Spannungen von der Werkzeugaufnahme hin zur Gewindeflanke höher.

17 Ergebnis Untersuchte Gewindesteigungen von 2, 3 und 4mm Vergleich Tresca-Vergleichsspannungen in der Schraube, Knochenblock und Transplantat beim Eindreh- und Auszugsversuch 3 mm Gewindesteigung am günstigsten Untersuchung der Gewindeflanken für 3mm Gewindesteigung Eingangswinkel von 50 und Ausgangswinkel von 70 zeigen gute Ergebnisse

18 Zusammenfassung Vorstellung eines Operationsverfahrens zur Kreuzbandplastik Untersuchung verschiedener Werkzeuggeometrien: bei der dreieckigen, der viereckigen und der sechseckigen Geometrie traten die geringsten Spannungen im Knochenblock auf. Simulation von Auszugsversuchen und Eindrehversuchen. Simulationen ergaben gute Ergebnisse für eine Schraube mit Gewindesteigung von 3mm, Eingangswinkel 50 und Ausgangswinkel 70