3 Biomaterialien. Belastung - Beanspruchung. Normalspannung. 3.2 Knochen 3.3 Knorpel 3.4 Band 3.5 Sehne 3.6 Muskel

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Sofie Hertz
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1 1 3 Biomaterialien 3.2 Knochen 3.3 Knorpel 3.4 Band 3.5 Sehne 3.6 Muskel Belastung - Beanspruchung 2 Normalspannung 3

2 4 Schubspannung Dehnung Band ungespannt und gespannt 5 Steifigkeit (= Stiffness) Def.: Kraft, die nötig ist um einen Körper um 1 Längeneinheit zu verformen ST = F / l [N/m] Dehnbarkeit (= Compliance) Def.: Verformung pro Krafteinheit DK = l / F [m/n] inverse Steifigkeit 6

3 7 Spannung-Dehnungsdiagramm Hook sche Gesetz σ = ε. E σ Spannung ε Dehnung E Elastizitätsmodul Elastizitätsgrenze Bruchgrenze Grenzspannung Grenzdehnung Plastische Verformung Spannung-Dehnungsverlauf für Knochen Failure Point (Bruchgrenze) Yield Point (Elastische Grenze) STRESS (Spannung) Debonding (Mikrotrauma) Elastic Region (Elastischer Bereich) STRAIN (Dehnung) 8 Viskoelastizität: Kriechen Force (Kraft) Time (Panjabi/White 2001, 91) Deformation (Verformung) Time (s) 9

4 10 Viskoelastizität: Relaxation Load cell (Kraftaufnehmer) Force (Kraft) Deformation (Verformung) Time Time Panjabi/White 2001, 92 Viskoelastizität: Hysteresis Load (Belastung) Ligament (Band) Stress (Spannung) Load (Belastung) Energy loss (Energieverlust) Unload (Entlastung) Strain or deformation (Dehnung oder Verformung) Panjabi/White 2001, Biomaterialien 3.1 Mechanische Grundlagen Funktion und Bau Mechanische Eigenschaften Ausgewählte Einflussgrößen 3.3 Knorpel 3.4 Band 3.5 Sehne 3.6 Muskel 12

5 13 Funktion / Arten Mechanische Funktion Kraftübertragung - Stütz und Bewegung Schutz lebenswichtiger Organe Arten Spongiosa Compacta Bau Osteozyten (Knochenzelle) Grundsubstanz Interzelluarsubstanz kollagene Fasern Interzelluarsubstanz Kittsubstanz Salze (= anorganischer Teil des Knochens) wichtigsten: - Calciumphosphat - Magnesiumphosphat - Calciumcarbonat 14 Mechanische Eigenschaften Anisotropes Material Grenzdehnung Zug: 7% Kompression: 2% Scherung: 5% elastischer Bereich: 1% Grenzspannung siehe Folie Belastungsgeschwindigkeit: statisch-, dynamisch+ Materialermüdung Ermüdungsfrakturen 15

6 16 Grenzspannung trabecular (Spongiosa) tension (Zug) compression (Druck) Nigg/Herzog 1994, 64 cortical (Compacta) shear (Scherung) tension (Zug) compression (Druck) Compacta Ultimate Stress (Grenzspannung) Alter (Druckspannung) (Zugspannung) (Druckdehnung) Verhältnis zwischen anorganischen Substanzen und kollagenen Fasern ändern sich: Neugeboren: 50% Salze Greis: 70% Salze Verlust an Elastizität (Zugdehnung) (Bruchenergie) Nigg/Herzog 1994, Geschlecht Compressive Breaking Force - Femur (Bruchkraft-Kompression) [kn] Nigg/Herzog 1994 Age [yrs] 18

7 19 Bewegung: Wolffsches Gesetz WOLFF: Berliner Anatom. Aus Forschungen auch (vor allem) anderer Kollegen, z. B. Roux, formulierte er 1892 dieses Gesetz im Buch: Das Gesetz der Transformation von Knochen. 3 Komponenten: 1. Der Knochen ist bestrebt, mit minimaler Masse optimale Festigkeit zu erreichen. 2. Der Knochen passt sich seiner funktionellen Umgebung an. 3. Adaption von Knochen ist mathematisch bestimmbar. Immobilisation: -3% Mineralgehalt/Monat Bewegung Maximierung der Knochenmasse (KM) in Kindheit, Jugend, frühem Erwachsenenalter Gewichtsbelastung entscheidend! Zusammenhang zw. Muskel- und Knochenmasse prospektive Tr.studien teilweise Verbesserung der KM Erhaltung der Knochenmasse im Erwachsenenalter Hinweise, dass Verzögerung möglich Verringerung der Abnahme der KM in Postmenopause keine Aktivität verhindert Abbau, da hormonelle Änderung zu stark Spazieren gehen nein, höhere Intensität mit zusätzlichem Krafttraining positive Effekte Bewegung plus Hormongaben nötig 20 3 Biomaterialien 3.1 Mechanische Grundlagen 3.2 Knochen Funktion und Bau Mechanische Eigenschaften Ausgewählte Einflussgrößen 3.4 Band 3.5 Sehne 3.6 Muskel 21

8 22 Funktion / Arten Mechanische Funktion Kraftübertragung zwischen Knochen Schutz der Knochen Verteilung der Kraft Dämpfung Gelenksbewegung mit geringer Reibung Arten hyaliner Knorpel Faserknorpel (Bandscheibe, Meniski) Elastischer Knorpel (Ohrknorpel) Bau hyaliner Knorpel Chondrozyten (Knorpelzelle) ~ 5 % Grundsubstanz ~ 95 % Wasser 65-80% Proteoglykane ~ 10% Lipide kollagene Fasern nervenlos Nährstoffe und O 2 durch Diffusion aus Gelenkskapsel 23 Schichtung superficial tangential (10 20%) articular surface transitional (40 60%) deep (30%) calcified cartilage tidemark subchondral bone cancellous bone 24

9 25 Mechanische Eigenschaften Grenzspannung Zug: ~ 25 MPa Kompression: ~ 10 MPa Scherung Viskoelastizität Gewebeflüssigkeit (Wasser, Synovialflüssigkeit) geringe Gleitreibung: Dicke Wasserfilm µm Ernährung Verteilung der Kraft Veränderung der Kontaktfläche Zug Tensile Stress Parallel (Zugspannung parallel) surface Tensile Stress Perpendicular (Zugspannung normal) surface deepest deepest Strain (Dehnung) Strain (Dehnung) 26 Kompression - Proteoglykane large domain smaller domain intermolecular charge - repulsive forces intermolecular charge - repulsive forces 27

(Kriechverformung) no exudation creep copious fluid exudation equilibrium deformation exudate equilibrium

10 28 Scherung unloaded (entlastet) pure shear (reine Scherung) Viskoelastizität Compressive Stress (Druckspannung) proteoglycan monomer unloaded collagen fibril Morphology load Creep Deformation (Kriechverformung) no exudation creep copious fluid exudation equilibrium deformation exudate equilibrium load 29 Kontaktfläche zw. Tibia und Femur mit Meniskus ohne 20 cm² 12,5 cm² 14 cm² 9 cm² (Maquet 1984, 69) 12,5 cm² 7,5 cm² 30

11 31 Kontaktfläche zwischen Tibia und Femur (Maquet 1984) mit Meniskus ohne Meniskus Kontaktfläche zw. Patella und Femur Fläche Winkel 2,8 cm² 30 3,4 cm² 60 3,8 cm² 90 (Helsne 1983) (Maquet 1984, 70) 32 Alter / Bewegung / Immobilität Alter Erneuerung der Proteoglykane verringert Wassergehalt nimmt ab Kalkeinlagerungen Bewegung Belastungsrate: Effekt auf Proteoglykane! Ernährung: O 2, Nährstoffe, Abbauprodukte Reibungswärme: Reibung verringert Immobilität Atrophy und Degeneration Proteoglykane reduziert 33

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