Lutz Claes, March Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 1

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2 Vorwort Der geforderten Verbesserung der Lehre an den Universitäten haben wir dadurch Rechnung getragen, dass sich 3 Mitarbeiter in Hochschuldidaktischen Kursen weitergebildet haben. Prof. Dr. A Ignatius, PD Dr. L. Dürselen und PD Dr. A. Kettler erwarben das Zertifikat für Hochschuldidaktik Baden-Württemberg. Zusammen mit Kollegen aus den Universitäten Hamburg, Würzburg und München wurde ein Antrag auf Förderung einer überregionalen Forschergruppe zum Thema Mechanismen der Frakturheilung und Knochenregeneration bei Osteoporose gestellt, der im Januar 2007 begutachtet werden wird. Unsere wissenschaftlichen Ergebnisse wurden in 33 Originalpublikationen und 88 Vorträgen auf nationalen und internationalen Kongressen präsentiert und fanden in der Verleihung von 2 wissenschaftlichen Preisen ihre Anerkennung. Drei Medizinstudenten promovierten zum Doktor der Medizin und vier Mitarbeiter promovierten zum Doktor der Humanbiologie. Frau Dr. Kettler habilitierte für das Fach experimentelle Chirurgie. Der 6. Biomechanikkurs für Chirurgen wurde in Englisch mit Teilnehmern aus 5 europäischen Staaten durchgeführt. Foreword 3 employees participated in a further training for university didactics. Prof. A. Ignatius, PD Dr. L. Dürselen and PD Dr. A. Kettler received the Certificate for University Didactics Baden-Württemberg. Together with colleagues from Hamburg, Würzburg and Munich we applied for a large DFG group grant with the topic of fracture healing of osteoporotic bones, which will be reviewed in January Our scientific results were published in 33 original articles in peer-reviewed journals and 88 presentations at national and international meetings and were acknowledged with two scientific awards. Three students received their degree for medical doctor status, while four students received their degree for biological doctor status. Dr. Annette Kettler received her habilitation in experimental surgery. The biomechanics summer course for surgeons was successfully held for the sixth time, for the second time in English. Individuals from five European countries participated. Lutz Claes, March 2007 Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 1

3 Personal / Staff Prof. Dr. L. Claes (Direktor, Director) PD Dr. L. Dürselen (Stv. Leiter, Vice Director) Dipl.-Ing. (FH) W. Ohmayer (Quality Manager) A. Arnholdt (Sekretariat, Secretary) B. Siegel (Sekretariat, Secretary) M. Lartigue (Sekretariat, Secretary) (bis 01/06) Knochenheilung und Osteoporose / Bone healing and Osteoporosis: Bereichsleiter: Prof. Dr. L. Claes Dr. R. Blakytny Dr. S. Schorlemmer (Tierärztin/Veterinary, bis 04/06) A. Veeser (Tierarzt/Veterinary) P. Horny Dipl.-Ing. (FH) M. Ohnmacht Dr. U. Simon Dipl.-Ing. T. Wehner Dr. Bettina Willie T. Werz I. Cosgun F. Niemeyer Wirbelsäulengruppe / Spine Group: Bereichsleiter: Prof. Dr. H.-J. Wilke PD Dr. A. Kettler Dipl.-Ing. (FH) K. Werner Dipl.-Ing. (FH) M.Sc. F. Heuer (Ingenieur/Engineer) Dr. M.Eng. H. Schmidt (Ingenieur/Engineer) Dipl.-Ing. U. Wolfram (Ingenieur/Engineer) Dipl.-Ing. E. Torka (Ingenieur/Engineer) C. Mack K. Häussler J. Speckmann N. Seidel S. Midderhoff E. Rothgang Kinematikgruppe / Kinematics Group: Bereichsleiter: PD Dr. L. Dürselen Dr. Dipl.-Biol. E. Bobrowitsch (04/06) A. Seitz D. Steffens Biomaterialien / Biomaterials: Bereichsleiterin: Prof. Dr. A. Ignatius Dr. L. Kreja Dr. Dipl.-Biol. H. Schlenker (bis 04/06) Dipl.-Biol. A. Thiel M. Göckelmann (Tierärztin/Veterinary) Zellbiologie / Cell Biology: Bereichsleiterin: Prof. Dr. A. Ignatius Dr. A. Liedert Dr. C. Neidlinger-Wilke Dr. D. Kaspar (bis 09/06) Dr. Z. Buser Dr. Li'an Hu Dipl.-Biol. L. Zöllner Dipl.-Biol. Ch. Rinkler T. Lenk (BTA) (bis 10/06) C. Kinzelmann (MTA) J. Marinaci (MTA) N. Todt (MTA) Histologie / Tierversuche/Histology: M. Tomo (BTA) U. Maile (MKA) Technik / Technical: Dipl.-Ing. (FH) H. Schmitt Dipl.-Ing. (FH) W. Ohmayer (Systemadmin.) 2 Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik Ulm

4 Gastwissenschaftler / Guests Dr. Jörg Drumm, Neurochirurgie, Homburg/Saar Dr. Charis Matzaroglou, Orthopaedic Clinic, Patras, Greece Dr. Bettina Willie, Salt Lake City, USA Dr. M. Majewski, Basel, Schweiz Dr. v. Recum, BG - Unfallklinik Ludwigshafen Dr. Li an Hu, Universität Wuhan, Volksrepublik China A. Maged, Universitätsklinikum Ulm Oliver Röhrle, Universität Auckland, Neuseeland Lars Ole Schwen, Universität Bonn Fabio Galbusera, Politecnico di Milano, Italien Dr. Markus Schöne, Bundeswehrkrankenhaus Ulm Kyle Adkins, Cincinnati, USA Veranstaltungen / Events International Workshop: Preserving and regenerative meniscal surgery ( , Schloss Reisensburg) Biomechanical Summer Course ( , UFB Ulm) Seminare / Seminars Dr. Michael Gelinsky (TU Dresden) Prof. Michael M. Morlock (TU Hamburg-Harburg) Prof. Hutmacher (Uni Singapur) Vorlesungen / Lectures Universität Ulm: Biomechanik des Bewegungsapparates für Medizinstudenten Dozenten: Bobrowitsch, Claes, Dürselen, Friedrich, Ignatius, Kaspar, Kettler, Neidlinger-Wilke, Simon, Schorlemmer, Wilke Universität Ulm, Studiengang Advanced Materials: Biomaterials Dozenten: Augat, Claes, Dürselen, Ignatius, Neidlinger-Wilke Universität Ulm: International Master of Science Advanced materials: Computation in Material Science Finite Elements Dozenten: Funken (Numerische Mathematik), Simon, Geiger (KFO) Fachhochschule Ulm, Studiengang Medizintechnik: Biomechanik des Bewegungsapparates Dozenten: Bobrowitsch, Claes, Dürselen, Friedrich, Ignatius, Kaspar, Kettler, Neidlinger-Wilke, Simon, Schorlemmer, Wilke Universität Ulm: Seminar für Internatsstudenten: Biomechanik der Osteosynthese Dozent: Claes QuerschnittsfachQ12 Rehabilitation, Physikal. Medizin, Naturheilverfahren : Dozent: Wilke Akademie für Wissenschaft, Wirtschaft und Technik: Medizin für Ingenieure Dozenten: Neidlinger-Wilke, Wilke Sozial- und Arbeitsmedizinische Akademie Baden-Württemberg e.v.: Theoretischer Kurs über Arbeitsmedizin Dozent: Wilke Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 3

5 Universität Ulm: Wahlpflichtfach W6 für Medizinstudenten: Stammzelltherapie und Tissue Engineering Dozent: Ignatius Ulmkolleg - Lehranstalten für Krankengymnastik und Massage: Grundlagen der Biomechanik. Dozenten: Kettler, Simon, Wilke Physiotherapieschule - Diakonisches Institut für Soziale Berufe Dornstadt Grundlagen der Biomechanik. Dozenten: Kettler, Simon, Wilke 4 Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik Ulm

6 Promotionen / Theses /Masterarbeiten Karin Würtz (Dr. biol. hum.) Heiter-Julian Schlenker (Dr. biol. hum.) Evguenji Bobrowitsch (Dr. biol. hum.) Hendrik Schmidt (Dr. biol. hum.) Mirjam Jehle (Dr. med.) Guido Cotta (Dr. med.) Annette Bender (Dr. med.) Habilitationen Dr. med. Annette Kettler (Priv.-Doz.) Ernennungen Priv.-Doz. Dr. med. vet. Anita Ignatius (apl. Prof.) Förderer / Sponsors Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Europäische Union Land Baden-Württemberg Synos-Stiftung, Bern, Schweiz AO-Stiftung, Dübendorf, Schweiz Deutscher Akademischer Austauschdienst, DAAD Deutsche Arthrose-Hilfe e.v. Firma Arthro Kinetics plc, Esslingen Firma Aesculap, Tuttlingen Firma CADFEM GmbH, Grafing b. München Firma Impliant Ltd., Ramat Poleg, Israel Firma Sanatis Gmbh, Rosbach v.d.h. Firma Stryker SA, Thalwil, Schweiz Firma Ulrich Medizintechnik, Ulm Firma Paradigm Spine, Wurmlingen Firma Buck Technische Strickerei Produkte, Bondorf Firma Weber Instrumente GmbH, Emmingen-Liptingen Hauptverband der Gewerblichen Berufsgenossenschaften Kooperationen mit / Cooperations with national: Prof. Dr. L. Kinzl, Abt. für Unfallchirurgie, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Universitätsklinikum Ulm PD Dr. B. Friemert, Chirurgie Bundeswehrkrankenhaus, Ulm Prof. Dr. Reichel, Prof. Dr. R. Brenner, PD Dr. Cakir, Rehabilitationskrankenhaus Ulm Prof. T. Böckers, Anatomie Ulm Dr. J. Simon, Urologie, Universität Ulm Prof. Dr. H.-P. Richter, Abt. Neurochirurgie der Universität Ulm Prof. Dr. B. Jilge, Tierforschungszentrum, Universität Ulm Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 5

7 Prof. Dr.-Ing. H. Planck, Zentrum für Biomaterialien und Organersatz Stuttgart-Tübingen, Denkendorf Dr.-Ing. A. Rohlmann, Oskar-Helene-Heim, Biomechanik-Labor, Berlin Prof. Weckbach, PD Dr. Blattert, Chirurgische Universitätsklinik, Würzburg Prof. Dr. G.B. Stark, Universitätsklinik Freiburg Prof. Dr. J.M. Rueger, Prof. M. Amling, Universitätskrankenhaus Hamburg- Eppendorf, Hamburg Prof. R. Mutschler, Ludwig-Maximilians-Universität, Chirurgische und Poliklinik, München Prof. Dr. F. Jakob, Universität Würzburg Prof. Dr. M. Möller, DWI, RWTH Aachen PD Dr. K. Schmieder, Klinik für Neurochirurgie, Universität Bochum Dr. Th. Niemeyer, Orthopadie Universität Tübingen PD Dr. T. Pitzen, Neurochirurgie, Universität Homburg-Saar Dr. J. von Recum, BG-Klinik Ludwigshafen Prof. Dr. G. Bauer, Sportklinik Stuttgart Dr. Schneider, Technische Entwicklungsgruppe, Fraunhofer Gesellschaft, Stuttgart Prof. Dr. H.P. Kaps, Orthopädie, BG Unfallklinik, Tübingen Prof. Dr. W. Richter, Orthopädische Universitätsklinik, Heidelberg Prof. K. Urban, Numerische Mathematik, Universität Ulm international: Dr. F. Marin, Universität Compiègne, Frankreich Dr. M. Majewski, Orthopädie Basel, Schweiz Prof. J. Planell, Barcelona, Spanien Prof. J. Urban, Oxford, England Prof. L. Ambrosio, Neapel, Italien Dr. A. Pavesio, Abano, Italien Prof. M. Brayda-Bruno, Mailand, Italien Prof. D. Kletsas, Athen, Griechenland Dr. M. Bottlang, Ph.D., Legacy Clinical Research, Portland, USA Wissenschaftliche Preise / Scientific Awards Die Deutsche Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie e.v. In Würdigung seiner Vedienste um die Förderung orthopädischer Forschung hat Herr Professor Dr. Lutz Claes anlässlich der 92. Jahrestagung 2006 in Berlin die Friedrich Pauwels Gedächtnisvorlesung "Pauwels und die molekulare Biomechanik" gehalten. Er wurde hierfür mit der Verleihung der Pauwels- Medaille geehrt. Best Presentation Award, Center for Musculoskeletal Surgery - Charité Berlin A. Ignatius, A. Thiel, L. Kreja, B. Friemert, G. Bergenthal, L. Claes Osteogenic Progenitor Cell Responses to Mechanical Strain Depend on the Differentiation Status 6 Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik Ulm

8 Simulation der Knochenheilung bei intramedulärem Nagel (P 498) Simulation of fracture healing due to intramedullary nailing T. Wehner, U. Simon, L. Claes Förderung: Stryker Trauma GmbH Die Knochenbruch-Heilung hängt in komplexer Weise von biologischen und mechanischen Faktoren ab (z.b. Blutversorgung, Dehnung des Kallusgewebes). Besonders bei der Marknagel-Osteosynthese kann es aufgrund des Ringspaltes zwischen Marknagel und Endost zu erheblichen Scherbewegungen der Knochenfragmente am Frakturspalt kommen, die zu einer großen Dehnung im Kallusgewebe führen. Diese Dehnungen haben einen großen Einfluss auf die Heilungsdauer und werden maßgeblich durch das komplexe mechanische Verhalten des Knochen- Implantat-Verbunds (KIV) beeinflusst. Für die Simulation der Knochenheilung ist die Kenntnis dieses Verhaltens von entscheidender Bedeutung, so dass zunächst die Entwicklung eines Finite-Elemente-(FE)-Modells zur Bestimmung des 3D Nachgiebigkeitsverhaltens in Abhängigkeit von KIV-spezifischen Parametern (z.b. Marknageldurchmesser, Frakturspaltbreite, Konfiguration der Verriegelungsschrauben) im Vordergrund stand. Dieses FE-Modell wurde basierend auf CT-Daten eines KIVs (humane Kadavertibia mit manuell gesetzter, diaphysärer Querosteotomie und Stryker T2 Standard Tibial Nail) erstellt und durch Vergleich zu in vitro gewonnen Schernachgiebigkeitskurven (Prof. Dr. Peter Augat, BG Unfallklinik Murnau) an humanen Kadaver-Tibiae validiert. Mit dem FE-Kontakt-Modell können nun Marknägel hinsichtlich ihrer Scherstabilität für verschiedene Frakturformen gezielt analysiert und optimiert werden. Im nächsten Schritt soll das komplexe Schernachgiebigkeitsverhalten in ein Simulationsprogramm zur Knochenheilung integriert werden, um so die Auswirkungen des Nageldesigns auf den Heilungsprozess im Detail untersuchen zu können. FE-Modell zur Bestimmung des Nachgiebigkeitsverhaltens einer Marknagelung (Sagittalschnitt durch KIV) Finite element model for the determination of the flexibility behaviour an intramedullary nail (Sagittal sectional view of the BIC) Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 7

9 The callus healing or secondary fracture healing respectively strongly depends on biological and mechanical factors (e.g. vascularity, strain of the callus tissue). The shear movement of the bone fragments, mainly influenced by the interface gap between the intramedullary nail and the endosteal surface, may lead to high strains in the callus tissue. The local strain state in the healing tissue has a great influence on the healing time and is mainly affected by the complex nonlinear shear flexibility behavior of the bone-implant complex (BIC). For the simulation of the fracture healing, the knowledge of that behavior is needed, so the development of a Finite Element (FE) model for the determination of the 3D flexibility behavior due to BIC specific parameters (e.g. diameter of the intramedullary nail, fracture gap size, locking screw configuration) is vitally important. A FE contact model was created and validated based on in vitro tests (Prof. Dr. Peter Augat, BG Unfallklinik Murnau) of transverse osteotomized cadaveric tibiae, stabilized with a Stryker Standard Tibial Nail. The FE contact model allows us to optimize the mechanical stability of intramedullary nail designs for different fracture types and geometries. In a next step the complex shear behavior of a BIC will be implemented in a fracture healing model to predict tissue differentiation and maturation processes in detail. 8 Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik Ulm

10 Simulationsbasierte Optimierung von Fraktur Fixateuren (P 529) Simulation-based Optimization of Fracture Fixations U. Simon, D. Nolte, F. Niemeyer, T. Wehner, K. Urban, L. Claes Förderung: Landesschwerpunkt-Förderung Baden-Württemberg Der Knochenheilungsprozess (genauer die Kallusheilung) kann mit Hilfe numerischer Modelle simuliert werden. Dabei können numerische Modelle im Gegensatz zu Tierexperimenten ohne ethische Probleme nahezu beliebig oft wiederholt werden. Natürlich muss die Gültigkeit der numerischen Modelle sorgfältig überprüft werden, nicht zuletzt auch durch den Vergleich zu experimentellen oder klinischen Daten. Dann aber kann der Einfluss wichtiger Parameter auf den Heilungsprozess sehr detailliert untersucht werden. Eine der wichtigsten Fragen betrifft dabei die Steifigkeit der Osteosynthese: Wie nachgiebig müssen Fraktur-Fixationen sein, um zu optimalen (möglichst schnellen) Heilungsergebnissen zu führen? In diesem interdisziplinären Projekt, das im neu gegründeten Ulmer Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (www.uni-ulm.de/uzwr) zusammen mit Numerikern und Informatikern (Prof. Karsten Urban, Daniel Nolte, Frank Niemeyer) bearbeitet wird, soll das vorhandene Heilungsmodel (P398, P498, P500) mit einem effizienten Optimierungsverfahren verknüpft werden (Abbildung). Dieses Werkzeug wird es uns ermöglichen die wichtigen Designparameter der Implantate, wie die 3D Steifigkeitswerte, systematisch und effizient zu ermittelt. Numerische Optimierung der Steifigkeit von Fraktur-Fixationen. Der Optimierungsalgorithmus (unten) verändert (in möglichst effizienter Weise) die Steifigkeit solange, bis die durch das Heilungsmodell (oben) prognostizierte Heilungszeit minimal wird. Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 9

11 Numerical optimization of the fixation stiffness: The optimizing algorithm (bottom) changes (in a most efficient way) the fixation stiffness till a minimal healing time is being predicted by the healing model (top). Numerical models can predict the fracture healing process (callus healing). They allow extensive analyses of parameter variations and many simulation runs without any ethical problems. Of course, a thorough validation against experimental or clinical results is a crucial prerequisite. An open question is, to find biomechanically optimal fixation devices: Which combination of 3D stiffness parameters would lead to a minimal healing time for the various fracture types? We are working on this question in an interdisciplinary, collaborative project at the Ulm Center of Scientific Computing (www.uni-ulm.de/uzwr) together with mathematicians and IT specialists (Prof. Karsten Urban, Daniel Nolte, Frank Niemeyer). The aim is to combine an existing healing simulation (P398, P498, P500) with an efficient optimization procedure (Figure). This tool will allow us to systematically find optimal biomechanical parameters for fixation devices. 10 Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik Ulm

12 Simulation der Knochendistraktion (P 500) Simulation of Distraction Osteogenesis U. Simon, T. Wehner, F. Niemeyer, L. Claes Förderung: DFG Die Methode der Kallusdistraktion wurde durch Ilizarov weltweit bekannt und wird seither erfolgreich zur Schließung großer Knochendefekte oder zur Extremitätenverlängerung von Röhrenknochen eingesetzt. Dabei werden die beiden Knochenfragmente und damit das dazwischen liegende Regenerationsgebiet allmählich (typischer Weise 1 mm/tag) auseinander gezogen, um so große Distanzen/Defekte (bis etwa 50 mm) mit neuem Knochengewebe zu füllen. Ein Problem bei diesem Behandlungsverfahren sind die sehr langen Behandlungszeiten mit den damit verbundenen Komplikationen. Es ist daher das Ziel dieses Projekts die Behandlungsmethode zu optimieren. Dazu wurde ein bestehendes Computermodell zur Knochenbruchheilung so erweitert, dass die Kallusdistraktion simuliert werden kann. Erste Ergebnisse von zweidimensionalen, rotationssymmetrischen Modellen mit vereinfachten Lastannahmen zeigen qualitativ eine gute Übereinstimmung zu den klinischen und experimentellen Beobachtungen (Bild). In einem nächsten Schritt muss das Modell mit einer automatischen Neuvernetzung ausgestattet werden, um so größere Gesamtdistraktionen simulieren zu können. Das Modell soll dann helfen, die Grundlagen der Gewebedifferenzierung bei der Kallusdistraktion besser zu verstehen, Tierversuche zu reduzieren und günstige mechanische Bedingungen zur Optimierung der Fixationssysteme für die Kallusdistraktion zu bestimmen.. Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 11

13 Prinzip der Knochendistraktion (links): Das Heilungsgebiet (Callus) wird allmählich auseinander gezogen, um so die Bildung von neuem Knochengewebe über eine große Distanz zu ermöglichen. Erste Ergebnisse des Finite-Elemente-Modells (rechts) zeigen, dass der Prozess numerisch simuliert werden kann. Principal of distraction osteogenesis: The regeneration area is being extended step by step. This will stimulate the formation of new bone over a large distance. First results of the Finite Element model demonstrate the ability to simulate this process numerically. The method of distraction osteogenesis which was introduced by Ilizarov is being used widely to close large defects or to extend bones. The bone fragments together with the regeneration area are being extended step by step (typically 1 mm/day). This procedure stimulates the formation of new bone tissue over a large distance (up to 50 mm). However, there are serious complications related to the long time this treatment takes. It is the aim of this project to optimize the clinical procedure. To this end a previous computer model of fracture healing was improved to enable the simulation of distraction osteogenesis. First results of the Finite Element model are in accordance to experimental and clinical results. In the next step an automatic remeshing algorithm will be implemented to allow the simulation of larger total distractions. The model will than help to better understand the principals of tissue differentiation and maturation within the distraction procedure. It will help to reduce the number of animal experiments and could help to optimize the clinical treatment and implants. 12 Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik Ulm

14 Numerische Identifikation der Steifigkeiten der Frakturkallusgewebe aus gemessenen Verschiebungsfeldern (P 511) Characterization of Material Properties of Fracture Callus Tissues from Measured Displacement Fields U. Simon, M. Bottlang, M. Mohr, I. Cosgun, L. Claes Förderung: Intern Die Bestimmung von Materialeigenschaften biologischer Gewebe gestaltet sich oft schwierig. Standardprüfverfahren versagen, da allein die Herstellung von Prüfkörpern, innerhalb derer das Material als konstant angenommen werden könnte, nur selten gelingt. Eindrücktests werden herangezogen, um bei stark schwankender Materialverteilung die Eigenschaften lokal zu bestimmen. Ein größeres Gebiet auf diese Weise zu untersuchen, ist aufwendig. Moderne optische Dehnungsmessgeräte können dagegen ein ganzes Verschiebungsfeld auf einer Probenoberfläche vermessen. In dieser Studie sollte untersucht werden, ob man solche Dehnungsmessungen zur Bestimmung von Werkstoffparametern heranziehen kann. In einer Kooperation mit dem Biomechanics Lab, Legacy Clinical Research and Technology Center in Portland, USA wurden Frakturkallus-Proben (3-mm- Scheiben, Transversalschnitt) aus einem Tierexperiment an Schafstibiae mit unterschiedlichem Heilungsfortschritt axial belastet und mit einem optischen Dehnmessgerät (3D-ESPI, Electronic Speckle Pattern Interferometry) vermessen. Aus zugehörigen Mikro-CT-Daten und histologischen Schnitten wurden 2D Finite-Elemente-(FE)-Modelle generiert. Durch den Vergleich von gemessener und simulierter Dehnung konnten die Steifigkeiten der beteiligten Gewebearten bestimmt werden. Bei Proben mit ausgeprägtem, durchgängigem Frakturspalt (Bild) ist der Einfluss der weichen Gewebe (Knorpel, Bindegewebe) im verbleibenden Spalt auf die globale Steifigkeit dominant. Die Methode ermöglicht die Bestimmung probenindividueller Gewebesteifigkeiten bei verwickelter Gewebeverteilung. Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 13

15 Histologischer Schnitt durch das Heilungsgebiet einer Schafstibia (oben, links), zugehöriges FE-Modell mit angepasster Gewebeverteilung (oben, rechts) sowie die resultierenden Dehnungen (3. Hauptdehnung) bei axialer Kompression aus In-vitro- Messung (unten, links) und FE-Modell (unten, rechts). Histological cross section of the callus area of an ovine tibia (top, left), corresponding FE model with appropriate tissue distribution (top, right) and resulting strains (3rd principal strain) under axial compression measured in vitro (bottom, left) and predicted by FE model (bottom, right) The characterization of biological tissues is not a trivial task. Standard tests fail when the creation of specimens with constant properties within is not possible. Indentation test can be used to determine mechanical properties locally. However, measuring a full field is very time consuming. Optical strain measuring devices allow to measure the full field strain state on the entire surface of a loaded specimen. The aim of this project was to evaluate whether this method can be used to determine the mechanical properties of fracture callus tissues. In cooperation together with the Biomechanics Lab, Legacy Clinical Research and Technology Center, Portland, USA transverse slices (3 mm thickness) from ovine fracture calluses of different healing stages were loaded axial and the displacement field was measured using a 3D Electronic Speckle Pattern Interferometer (ESPI). 2D Finite Element (FE) models were created based on corresponding micro CT data and histological slices of the calluses. Measured and predicted displacements were compared to determine appropriate material properties for the different tissue types. Specimen with a distinctive gap (Figure) showed a significant influence of the softer gap tissues (connective tissue, cartilage) onto the overall stiffness of the specimen. The method allows characterizing material properties of structures with a complex tissues distribution. 14 Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik Ulm

16 Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften verschiedener Fixateure für Frakturheilungsstudien an der Ratte (P 527a) Mechanical Characterization of External Fixators with Varying Stiffness in a Rat Femoral Fracture Model B. Willie, K. Adkins, X. Zheng, U. Simon, L. Claes Förderung: Intern Die Ratte wird zunehmend als Tierversuchsmodell für die Frakturheilungsforschung eingesetzt. Dabei wird jedoch die Stabilität der Osteosynthese oft nur unzureichend charakterisiert, obwohl bekannt ist, dass der Heilungsprozess sehr stark von den biomechanischen Bedingungen im Heilungsgebiet abhängt. In dieser Studie wurden daher die Steifigkeiten verschiedener Fixateur-extern-Systeme für Ratten sowohl experimentell als auch rechnerisch (analytisch und numerisch) bestimmt (Bild). Bei den In-vitro- Versuchen wurden die Knochen durch PVC-Rohre ersetzt, um standardisierte Bedingungen zu gewährleisten. Im Einzelnen wurden die Einflüsse der Pinlänge (Offset = freie Biegelänge), des Pindurchmessers sowie des Materials der Fixateurkörper auf die Steifigkeit untersucht. Die In-vitro-Messungen zeigten, dass die axiale Steifigkeit und die Torsionssteifigkeit mit abnehmender Pinlänge und zunehmendem Pindurchmesser steigen. Die Werkstoffsteifigkeit des Fixateurs hatte dagegen nur einen geringen Einfluss auf die Steifigkeiten. Die numerisch mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) ermittelten Steifigkeiten korrelierten gut mit den gemessenen Werten, lagen allerdings in allen Fällen leicht über den gemessenen Werten. Die Steifigkeitswerte aus den einfachen analytischen Rechnungen (einfache, lineare Biege-, Torsions- und Kompressionstheorie) lagen in allen Fällen noch darüber. Das war so zu erwarten, da das FE-Modell und in noch stärkerem Maße das analytische Modell bestimmte kompliziert zu beschreibende Nachgiebigkeiten vernachlässigen. Die Genauigkeit des FE- Modells könnte zukünftig verbessert werden, indem beispielsweise der Implantat-Knochen-Kontakt aufwendiger modelliert würde. Aber auch die jetzigen Modelle können sinnvoll für vergleichende Analysen eingesetzt werden. Die Ergebnisse können bei der Planung von In-vivo- Frakturheilungsstudien an Ratten eingesetzt werden, um Fixateure mit gewünschten biomechanischen Eigenschaften zu identifizieren. Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 15

17 Abbildung: In-vitro-Versuch (links) und Finite-Elemente-Modell (rechts) zur Bestimmung der Steifigkeiten von Rattenfixateuren. Figure: In vitro testing of fixator stiffness (left) and a finite element model of a rat unilateral fixator (right). Clinical and experimental studies have shown that the mechanical environment influences the fracture healing process. Although, it remains unclear as to what amount of fixation stiffness is required to optimize the healing process. This study evaluated the axial and torsional stiffness of different external fixation systems in polyvinylchloride tubes, using in vitro and computational methods (Figure), as well as analytical calculations. The influences of fixator body material, pin diameter, and free length of the pins, also known as offset, were investigated. In vitro measurements indicated that axial stiffness, torsional stiffness, and torsional rigidity increased with decreased offset and increased pin diameter. The fixator body material had minimal influence on fixation stiffness. The finite element model calculated stiffness data were in all simulated cases greater than in vitro data. Analytical calculated stiffness data were in all cases greater than both numerical and measured data. Accuracy of the finite element model may be improved in the future by describing complex implant-bone contact conditions. However, these mathematical models allow for a simplified method of determining and compare the appropriate pin diameter, offset, and fixator body material for an external unilateral fixation system with a desired stiffness. Future in vivo studies can utilize these mechanically characterized fixation systems to better understand the influence of fixation stability on bone repair and the fracture healing process. 16 Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik Ulm

18 Der Einfluss von Steifigkeit und Dynamisierung des externen Fixateurs auf die Frakturheilung im Osteotomiemodell am Rattenfemur (P 527b) The Influence of External Fixator Stiffness and Dynamization on Fracture Healing in a Rat Femoral Osteotomy Model L. Claes, R. Blakytny, A. Veeser, M. Schoene, M. Goeckelmann, B. Willie Förderung: Intern Der Einfluss von Fixationsstabilität auf den Frakturheilungsprozess im Kleintiermodell wurde bislang nicht adäquat beschrieben, größtenteils deshalb, weil gut charakterisierte externe Fixationssysteme bisher noch nicht entwickelt wurden. Diese Studie nutzt ein kontrolliertes experimentelles Rattenmodell, um den in vivo Einfluss von Fixateursteifigkeit (steif und flexibel) und Dynamisierung auf die Biegesteifigkeit und Gewebedifferenzierung des Rattenfemurs nach 35 Heilungstagen zu beurteilen. Die Hypothese war, dass nach einer Heilungsdauer von 35 Tagen, Femura, die mit einem flexiblen Fixateur stabilisiert wurden, eine signifikant niedrigere Biegesteifigkeit und einen signifikant größeren Knorpelbereich aufweisen würden, als Femura, die mit einem steifen Fixateur stabilisiert wurden. Der Effekt der Stabilität während der Entzündungsphase (1. Woche) wird durch einen Vergleich von 2 Gruppen ermittelt. Gruppe 1 (1 Woche stabil, 4 Wochen flexibel) wird verglichen mit Gruppe 2 (5 Wochen flexibel, Bild 1). Das Experiment dauert noch an, daher sind momentan nur begrenzte Ergebnisse verfügbar. Bild 1: Ein Femur mit einem flexiblen Fixateur aus Gruppe 2 (links) und eine Kontaktröntgenaufnahme eines Femur mit steifem Fixateur aus Gruppe 1. Figure 1: A femur with a flexible fixator from Group 2 (left) and a contact radiograph of a femur with a rigid fixator from Group 1. Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 17

19 The influence of fixation stability on the fracture healing process in a small animal model has not been adequately described, largely because wellcharacterized external fixation systems have yet to be developed. This study uses a controlled experimental rat model to evaluate the in vivo influence of fixator stiffness (rigid and flexible) and dynamization on the bending rigidity and tissue differentiation of rat femurs after 35 days of healing. It was hypothesized that after 35 days of healing, femurs stabilized by a flexible fixator would have significantly lower bending rigidity and significantly greater cartilage area compared to femurs stabilized by a rigid fixator. The effect of stability during the inflammatory phase (1st wk) is being investigated by comparing two groups. Group 1 (1 wk stable, 4 wks flexible) compared to Groups 2-(5 wks flexible) (Figure 1). The experiment is currently underway and therefore limited results are available at this time. 18 Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik Ulm

20 Molekularen Faktoren, die während Tibia Frakturheilung in Ratten exprimiert sind (P 534) Signalling Molecules in Rat Tibia Fracture R. Blakytny, L. Claes Förderung: Intern Im Verlauf der Frakturheilung werden zahlreiche molekulare Faktoren zeitund ortsabhängig exprimiert. Jeder dieser Faktoren ist mit spezifischen Zellen sowie verschiedenen Knochen- und Kallusgeweben assoziiert, die während des Heilungsprozesses gebildet und umgebaut werden. Ziel dieses Projekts ist die immunhistologische Untersuchung einer Reihe dieser Faktoren während des Heilungsprozesses. Es ist bekannt, dass jeder dieser Faktoren eine wichtige Rolle bei der Knochenbildung spielt. Bisher konnte gezeigt werden, dass die Expression dieser Faktoren, die mechanosensitiv sind, während der Frakturheilung zumindest auf mrna-ebene erhöht ist. Das Knochenmaterial stammt aus dem Projekt 505. Zu verschiedenen Zeitpunkten wurden bis zum Tag 28 nach einer Fraktur die rechte Tibia von Ratten entnommen und analysiert. Die linke Tibia diente als Kontrolle. Der Knochen wurde entkalkt und in Paraffin eingebettet. Die Ergebnisse der Immunhistologie für COX-2 und VEGF liegen vor und sind für den ersten Faktor bereits semiquantitativ ausgewertet worden. Schnitte mit einer Dicke von 6-8 µm wurden angefertigt und entparaffiniert. Polyklonale Antikörper aus Kaninchen gegen COX-2 und VEGF stammten von Zytomed und wurden in einer zuvor getesteten Verdünnung eingesetzt. Dies ist die erste Untersuchung von COX-2 auf Proteinebene während der Frakturheilung. Im intakten Knochen wird COX-2 normalerweise nicht exprimiert, was wir durch unsere Ergebnisse bestätigen konnten. Jedoch konnten bereits einen Tag nach Auftreten einer Fraktur einige Osteozyten im Cortex und Zellen im Markraum mit Hilfe einer COX-2 Färbung nachgewiesen werden, beide in der Nähe der Knochenbruchstelle. Nach 3 Tagen nahm die Färbung der Osteozyten sowohl im Hinblick auf Anzahl als auch Intensität deutlich zu. Während des ganzen Heilungsprozesses konnte eine Färbung der Osteozyten im Cortex beobachtet werden, die jedoch mit der Zeit schwächer wurde. Zwischen Tag 7 und 28 konnten auch Osteoblasten und Osteozyten, die mit dem neu gebildeten Knochen im Kallus assoziiert waren, angefärbt werden. Eine Färbung von Chondroblasten und Chondrozyten innerhalb des Kallus trat überwiegend zwischen Tag 7 und Tag 14 auf. Aufgrund der bisherigen Ergebnisse liegt die Vermutung nahe, dass COX-2 während der ganzen Frakturheilung eine Rolle spielt. Die COX-Enzyme stellen Institute of Orthopaedic Research and Biomechanics 19

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