Ermittlung mechanischer Kennwerte mittels Indentation

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Luisa Stein
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1 Ermittlung mechanischer Kennwerte mittels Indentation Michael Seidenstücker (Dipl.-Ing.) Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien November 2015 in Freiburg

2 Einleitung Indentation Indentationsverfahren sind gängige Praxis in der Materialprüfung: Härte, Mikro- und Nanohärteprüfung zur Untersuchung von Weichgeweben wie Knorpel angewendet Quelle: Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

3 Einleitung Mach-1 Prüfmaschine V500css mikromechanisches Testsystem Seit 1999 kontinuierlich weiterentwickelt 3D Oberflächenmapping Mehrachsen Messsystem für Gewebe und weiche Materialien Modularer Aufbau und damit vielseitig einsetzbar Quelle: Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

4 Anwendungsbeispiele Mach-1 Indentation an Gelenkknorpel Unconfined Compression Mechanische Stimulation Zugversuche Quelle: Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

5 Anwendungsbeispiele Mach-1 Automatische Kartierung der Oberfläche mittels Indentation Gitternetz über Probe gelegt Messpunkte automatisch angefahren und Indentation durchgeführt Tibia Plateau (links) Maus Automatische Kartierung der Knorpeldicke Identische Positionen der Indentationsprüfung Quelle: Lavoie et al. (2014) Mapping Biomechanical Properties of Mice Articular Surfaces Using Indentation: Preliminary Results. Poster ID: P-Th Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

6 Methode Automatische Kartierung der Oberfläche mittels Indentation Sphärische Indenter Multiaxiale Kraftmessdose Fx, Fy und Fz zur Bestimmung der Normalkraft Bestimmung der Oberflächenorientierung an der vordefinierten Position, sowie 4 umgebenden Punkten Quelle: Sim, S. et al. (2013) Evaluation of a novel technique to map the mechanical properties of an entire articular surface in indentation.

7 Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke Mittels Kanüle Unter Verwendung des gleichen vordefinierten Rasters

8 Force [N] Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke 0,20 0,15 Knorpeloberfläche Abstand 0,10 Knochen 0,05 0, Displacement [mm]

9 Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke Knorpeldicke = vertikale Distanz x cos (Oberflächen Orientierung)

10 Methode Automatische Kartierung der Oberfläche mittels Indentation Rohdaten Elastic Model Fit Elastic Model in der Indentation (Hayes, 1972) Unter Verwendung der ermittelten Knorpeldicke Instantan Modul (MPa)

11 Methode Oberflächenkartierung Probe Kamera (1280x960 pixel) Positionsraster wird überlagert Längeneiheiten werden konvertiert Automatische Messung Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

12 Ergebnisse Knorpeldicke mm

13 Ergebnisse Messergebnisse mm Mittlere Knorpeldicke: 2,36 ± 0,51 mm 4,12 ± 0,48 mm MPa Mittlere E-Moduln: 3,99 ± 4,01 MPa 1,09 ± 1,52 MPa

14 Ergebnisse Knorpeldicke mm mm Quelle: Sim, S. et al. (2013) Evaluation of a novel technique to map the mechanical properties of an entire articular surface in indentation.

15 Ergebnisse Moduln MPa MPa Quelle: Sim, S. et al. (2013) Evaluation of a novel technique to map the mechanical properties of an entire articular surface in indentation Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

16 Zusammenfassung relativ einfach automatische Kartierungen von Weichgeweben mittels Mach-1 ca. 50 Messpunkte ca. 1 Minute pro Indentation ca. 45 Sekunden pro Dickenmessung Ergebnisse korrelieren gut mit der Literatur

17 Ausblick Histologie? Histologische Untersuchungen: Defektstelle (wahrscheinlich gar kein Knorpel) Bereich Abdeckung Meniskus Bereich Kondylen

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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