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NEUE PUBLIKATION IN CLINICAL BIOMECHANICS

The effects of force application on the compressive properties of femoral spongious bone

Diese Studie ist aus einem von der Sächsischen Aufbaubank (SAB) geförderten Verbundprojekt entstanden und beschäftigt sich mit der Fragestellung, inwieweit sich die Art und Weise der Krafteinleitung auf das Kompressionsverhalten humaner Spongiosa auswirkt.
Bei einachsigen Druckversuchen mit Spongiosaproben spielen sogenannte Randartefakte eine große Rolle. Sie führen zu einer Fehlinterpretation der mechanischen Parameter von Knochen aufgrund der unkontrollierten Einleitung von Biegemomenten in die freien Enden der Trabekel. Ziel dieser Arbeit war daher die Vereinfachung bestehender Methoden zur Vermeidung von Randartefakten. Darüber hinaus wurde untersucht, inwieweit Randartefakte einen Einfluss auf das Kompressionsverhalten haben. Dazu wurden aus humanen Femurkondylen insgesamt 176 zylindrische Spongiosaproben entnommen und unter einachsiger Druckbelastung geprüft. Die Proben wurden in zwei Gruppen eingeteilt ("direkt" und "Endkappe") und verschiedene mechanische sowie morphologische Parameter ermittelt. Alle mechanischen Parameter waren bei den Endkappenproben um 30 % bis 40 % höher als bei den direkten Proben. Die größten Unterschiede zwischen den Gruppen wurden beim Druckmodul (45 %) und der Plateauspannung (35 %) festgestellt. Die Energieabsorption kann mit großer Genauigkeit durch die Plateauspannung erklärt werden (p < 0.001; R² = 0.95), und letztere kann von allen untersuchten Parametern am besten durch die geometrische Dichte unter Verwendung einer Exponentialfunktion (p < 0.001; R² = 0.38) definiert werden. Die hier verwendete Endkappenmethode zur Vermeidung von Randartefakten zeigte im Vergleich zur direkten Methode Abweichungen, die mit der Literatur übereinstimmen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Art und Weise der Krafteinleitung in die Probe einen großen Einfluss auf das Versagensfortschrittsverhalten hat, welches anhand der Plateauspannung charakterisiert wurde.

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17. JAHRESTAGUNG DER DWG

Neben über 2000 Vertretern aus Orthopädie, Unfallchirurgie, Neurochirurgie sowie Industrie und Wissenschaft waren drei unserer Mitarbeiter vor Ort bei der 17. Jahrestagung der Deutschen Wirbelsäulengesellschaft (DWG). Neben Workshops und einer beachtlichen Industrieausstellung wurde auf dem Berliner Messegelände vom 07.-09.12.2022 ein umfassendes wissenschaftliches Programm rund um das Thema Wirbelsäule dargeboten, welches u.a. die folgenden ePoster-Beiträge unserer ZESBO-Vertreter umfasste:

  • Biomechanische Analyse der Cagebewegung im 360°-Verbund während der postoperativen Frühphase bei Osteoporose
  • Untersuchung der Wirbelkörperspongiosa sowie der Schraubenauszugskraft von Pedikelschrauben in Abhängigkeit von BMD und Hounsfield-Units
  • Konzepte zur Erhöhung der Primärstabilität von Pedikelschrauben mithilfe aktiver und superelastischer Formgedächtnis-Elemente

NEUE PUBLIKATION IN BIOMEDICAL ENGINEERING ONLINE

The role of bone marrow on the mechanical properties of trabecular bone: A systematic review

In der biomechanischen Forschung ist die detaillierte Kenntnis der mechanischen Eigenschaften von Konchengewebe von entscheidender Bedeutung. Insbesondere im Falle der fein strukturierten Spongiosa im Knocheninneren spielt das Knochenmark, welches sämtliche Zwischenräume ausfüllt, eine wichtige Rolle. Basierend darauf beschäftigt sich dieses umfassende Review mit dem Einfluss des Knochenmarks auf die mechanischen Eigenschaften des trabekulären Knochens. Es wurden insgesamt 38 von über 400 Artikeln in das Review aufgenommen. Die meisten Studien untersuchten den hydraulischen Effekt des Knochenmarks auf die Spongiosa unter Druckbelastung. Nur wenige Arbeiten befassten sich mit dem Scherverhalten humaner Spongiosa. Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass bei der Durchführung von einachsigen mechanischen Versuchen in vitro die Präsenz von Knochenmark zu einer Verringerung der mechanischen Eigenschaften führt. Im Gegensatz dazu trägt das Knochenmark jedoch zu einer Erhöhung der mechanischen Eigenschaften bei, wenn die Probekörper einem dreiachsigen Test unterzogen werden.

Die vollständige Veröffentlichung findet sich unter folgendem Link.

NEUE PUBLIKATION IN INTERNATIONAL BIOMECHANICS

Biomechanical testing of different fixation techniques for intraoperative proximal femur fractures: A technical note

Im Rahmen eines von der Deutschen Arthrose-Hilfe e.V. finanzierten Projektes wurden verschiedene Versorgungsvarianten von intraoperativen proximalen Femurfrakturen am Kunstknochen untersucht.
Intraoperative proximale Femurfrakturen (IPFF) sind eine seltene, aber schwierige Komplikation bei Hüfttotalendoprothesen. Ziel dieser Pilotstudie war es daher, die biomechanische Primärstabilität verschiedener Versorgungstechniken für IPFF zu vergleichen. Dazu wurden im Nachgang der Implantation eines zementfreien Femurschaftes standardisierte mediale Längsfrakturen am künstlichen proximalen Femur gesetzt (Typ II, modifizierte Mallory-Klassifikation) und entsprechend versorgt. Es wurden fünf verschiedene Fixierungstechniken verglichen: die Band-Cerclage, 1- bzw. 2-Draht-Cerclagen sowie die Fixierung mittels einer bzw. zwei Kortikalisschrauben. Im Testszenario fand ein quasistatisches Belastungsprotokoll Anwendung. Gemessen und ausgewertet wurden die Versagenslasten der angewandten Techniken. Die beobachteten mittleren Bruchlasten betrugen 4192 N (3982 N - 5189 N) für die Band-Cerclage, 4450 N (3577 N - 4927 N) für die 1-Draht-Cerclage, 5016 N (4175 N - 5685 N) für die 2-Draht-Cerclagen, 6085 N (5000 N - 8907 N) für die Verwendung einer Kortikalisschraube und 4774 N (4509 N - 8502 N) für den Einsatz von zwei Schrauben. Aufgrund des breiten Spektrums an Versagenslasten innerhalb der Versuchsgruppen und der geringen Probenzahl gab es keine erkennbaren Unterschiede zwischen den Gruppen. Alle Fixationstechniken boten eine ausreichende Primärstabilität bei osteoporotischen und nicht osteoporotischen Verbundknochen. Zur Bestätigung der hier vorgestellten Ergebnisse sind jedoch weitere Kadaverstudien mit größeren Stichproben erforderlich.

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16. DKOU

© Intercongress GmbH

Nach langer coronabedingter Pause waren in diesem Jahr wieder Mitarbeiter des ZESBO mit interessanten Forschungsbeiträgen auf dem Deutschen Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU) präsent. Auf der Berliner Messe wurden vom 25.-28.10.2022 Forschungsergebnisse der letzten Jahre dem Fachpublikum vorgestellt. Die umfangreiche Industrieausstellung auf der Fläche von zwei Messehallen rundete die Veranstaltung ab. Im Rahmen von insgesamt 687 akzeptierten Abstracts war das ZESBO mit den folgenden drei Vorträgen und einer Posterpräsentation vertreten:

  • The biomechanical stability of a novel bioabsorbable magnesium (Mg-Zn-Ca) alloy bone anchor for rotator cuff repairs - An ex-vivo cadaver study
  • Testung der Primärstabilität mittels Pullout von MC-Schrauben nach zyklischer Belastung an osteoporotischen Wirbeln in Abhängigkeit des eingebrachten Cages (Nominierung für den Wilhelm-Roux-Preis)
  • Biomechanische Validierung 3D-gedruckter femoraler Kunstknochen
  • Biomechanische Untersuchung einer Doppelplattenosteosynthese unter Verwendung einer neu entwickelten Sulcus-bicipitalis-Platte zur Versorgung komplexer proximaler Humerusfrakturen

39. AGA Kongress

© Intercongress GmbH

Unter dem Thema Expectations fand vom 15.-17.09.2022 in Wien der 39. AGA Kongress statt. Dort wurde die herausragende Arbeit von Dr. med. Firas Souleiman (Universitätsklinikum Leipzig) und Martin Heilemann (ZESBO) zur Erforschung einer nichtinvasiven Detektionsmöglichkeit von Syndesmosenverletzungen mit dem Research Award der Gesellschaft für Arthroskopie und Gelenkchirurgie (AGA) ausgezeichnet. Die 3D-Messmethode wurde in Kooperation zwischen der Klinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie sowie dem Zentrum zur Erforschung der Stütz- und Bewegungsorgane (ZESBO) in den letzten zwei Jahren entwickelt und im AO Research Institute in Davos angewandt.

Die vollständige Veröffentlichung findet sich unter folgendem Link.

12. KONGRESS DER DGFB

Auch beim diesjährigen Kongress der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik (DGfB) in Köln (28.-30.09.2022) war das ZESBO mit zahlreichen Poster- und Redebeiträgen vertreten. Thematisch wurden dabei folgende Inhalte präsentiert:

  • Primärstabilitätsnachweis mittels Pullout von MC-Schrauben nach zyklischer Belastung an osteoporotischen Wirbeln mit 360°-Fusion
  • Biomechanischer Leistungsvergleich einer zusätzlich gesicherten Ankertenodese versus Standard-Ankertenodese der LBS
  • Untersuchung der Schraubenauszugskraft von Pedikelschrauben in Abhängigkeit von der mechanischen Stabilität der Spongiosa
  • Einfluss von Fußposition und Gewichtsbelastung auf die Stellung des distalen Tibiofibulargelenks
  • Ermittlung der mechanischen Eigenschaften humaner Spongiosa des Femurkopfes bei Vorliegen einer atraumatischen Hüftkopfnekrose bzw. Coxarthrose – Eine vergleichende Untersuchung
  • HybridBone – Entwicklung eines biokeramischen Hybrid-Scaffolds zur Regeneration knöcherner Gesichtsschädeldefekte
  • Biomechanische Validierung additiv gefertigter femoraler Kunstknochen
  • Dynamische biomechanische Untersuchung einer neu entwickelten Sulcus-bicipitalis-Platte in Kombination mit einer Standardosteosynthese zur Versorgung komplexer proximaler Humerusfrakturen
  • Ein Vergleich der primären Stabilität von Multi Hole-Pfannen und Plattenosteosynthese bei Acetabulumfrakturen – eine biomechanische Studie

NEUE PUBLIKATION IN BMC BIOMEDICAL ENGINEERING

Biomechanical validation of additively manufactured artificial femoral bones

Im Rahmen eines Kooperationsprojektes der TU Chemnitz und des Fraunhofer IWU wurden unter Beteiligung des ZESBO 3D-gedruckte Kunstknochen biomechanisch validiert.
Um die Anisotropie und Inhomogenität der Knochenstruktur nachzubilden, wurden Knochenmodelle erzeugt, die aus einem additiv gefertigten Kern bestehen, auf welchem ein Glasfaserlaminat aufgebracht wurde. Für die Validierung des Modells wurden mithilfe des Fused-Filament-Fabrication Verfahrens Probekörper, bestehend aus einer Gyroidstruktur, aus unterschiedlichen Materialien sowie Füllgraden gefertigt und im einachsigen Druckversuch charakterisiert. Die kortikale Komponente wurde mittels 3-Punkt-Biegeversuch definiert. Das Gesamtsystem wurde validiert, indem femorale Prothesenschäfte unter kontrollierten Bedingungen sowohl in die 3D-gedruckten Kunstknochen als auch in humane Spenderknochen eingepresst und die dabei auftretenden Kräfte sowie Dehnungen aufgezeichnet wurden. Die Druckproben zeigten dabei ein dem Humanknochen ähnliches Materialverhalten. Im Biegeversuch wies das Glasfaserlaminat eine höhere Festig- und Steifigkeit als humane Kortikalis auf, wobei ein ähnliches Materialverhalten beobachtet werden konnte. Beim Einpressen der Prothese erreichten die Humanpräparate höhere Kräfte als die Knochenmodelle. Die Studie zeigt, dass mittels additiver Fertigung valide Knochenmodelle erzeugt und deren Eigenschaften gezielt durch die Änderung des Füllgrades beeinflusst werden können.

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NEUE PUBLIKATION IM JOURNAL OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF BIOMEDICAL MATERIALS

The sacrotuberous ligament is preloaded in situ

Ziel dieser Studie war es, die intrinsische Vorspannung des Ligamentum sacrotuberale zu ermitteln. Es wurden in situ Messungen der Vorspannkraft an 20 Proben aus 10 humanen Körperspendern durchgeführt, um die These der ligamentären Zuggurtung als mögliche Form der Lastverteilung näher zu untersuchen. Das Ergebnis war eine unerwartet hohe Vorspannkraft mit einem Gesamtdurchschnitt von 118 N ± 74 N. Zudem gab es erste Hinweise auf eine geschlechtsabhängige Vorspannkraft des Ligamentum sacrotuberale mit einem Durchschnittswert von etwa 65 N für die 10 weiblichen und 172 N für die 10 männlichen Proben. Die Analyse weiterer Einflussfaktoren und deren statistische Auswertung zeigte zudem eine Abhängigkeit der Vorspannkraft des Ligaments von der Körpergröße, dem Alter sowie dem Elastingehalt. Dies führt zur Hypothese, dass die Stabilität des Beckens stärker von der ligamentären Vorspannung abhängt als bisher angenommen.

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NEUE PUBLIKATION IN PLOS ONE

Primary stability of multi-hole cups compared to plate osteosynthesis in osteoporotic anterior column and posterior hemi-transverse acetabular fractures — A biomechanical comparison

Für Chirurgen stellen Acetabulumfrakturen gerade bei älteren Patienten mit einer schlechten Knochenqualität eine besondere Herausforderung dar. Um diesbezüglich neue Erkenntnisse zu erzielen, wurde in Kooperation mit dem UKL die primäre Stabilität beim Einsatz von konventionellen Plattenosteosynthesen mit der Versorgung mittels Multi Hole-Pfannen biomechanisch verglichen.
Dabei wurden jeweils sechs Hüftbeine mit einer Fraktur am vorderen Pfeiler und einer Hemiquerfraktur (ACPHT) mit einer Plattenosteosynthese bzw. einer Multi Hole-Pfanne versorgt. Die biomechanischen Versuche wurden mit einer Zug-Druck-Prüfmaschine durchgeführt und mithilfe eines optischen 3D-Messsystems aufgezeichnet. Die Ergebnisse scheinen vielversprechend, dass die primäre endoprothetische Versorgung mit einer Multi Hole-Pfanne und entsprechender Schraubenfixierung bei typischen ACPHT-Frakturen eine vergleichbare Stabilität zur Osteosynthese erreicht. Es sind jedoch weitere klinische Studien erforderlich, um zu belegen, dass die Pfannen fest in den Knochen einheilen.

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9TH WORLD CONGRESS OF BIOMECHANICS IN TAIPEI

Nun bereits zum zweiten Mal waren Mitarbeiter des ZESBO mit einem Forschungsbeitrag beim World Congress of Biomechanics (WCB), der vom 10.-14.07.2022 in Taipei stattfand, vertreten. Angesehen als renommierteste internationale Tagung für Biomechanik in der Welt, wird der Kongress im 4-Jahres-Rhythmus veranstaltet. Vorgestellt wurde das Erfolg versprechende Projekt Hybrid-Bone - Design of a bioceramic hybrid scaffold for the treatment of craniofacial defects in der Session Tissue Engineering 2, welches in Kooperation mit dem Fraunhofer IKTS (Dresden), der Universität Rostock (Rostock) und dem Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (Kiel) durchgeführt wird.

31. TREFFEN DES MSB-NET

© MSB-NET

Vom 23.-24.06.2022 fand das diesjährige Treffen des Forschungsnetzwerkes Muskeloskelettale Biomechanik (MSB-NET) am Muskuloskelettalen Universitätszentrum München (MUM) statt. Das ZESBO war als zertifiziertes Mitglied des MSB-NET mit drei Vertretern anwesend. Spezielles Augenmerk wurde dabei auf die Arbeit in den themenspezifischen Clustern "Experimentelle Gelenkkinematik", "Gewebebiomechanik" und "Implantatverankerung und -sicherheit" gelegt. Das nächste Treffen ist im Rahmen des diesjährigen DKOU (27.10.2022) in Berlin geplant.

NEUE PUBLIKATION IN SCIENTIFIC REPORTS

Effect of weightbearing and foot positioning on 3D distal tibiofibular joint parameters

In Zusammenarbeit mit dem AO Research Institute Davos wurden die Auswirkungen verschiedener Belastungsszenarien und Fußpositionen auf die Stellung des distalen Tibiofibulargelenks (DTFG) untersucht.
Vierzehn gepaarte menschliche Spenderunterschenkel wurden in einem speziell gefertigten Belastungs- und Positionierungsaufbau fixiert. Im unbelasteten Zustand (75 N) und im einbeinig belasteten Zustand (700 N) wurden von jedem Unterschenkel CT-Aufnahmen in fünf Fußpositionen angefertigt: Neutral, 15° Außenrotation, 15° Innenrotation, 20° Dorsalflexion und 20° Plantarflexion. Ein automatisiertes dreidimensionales Messprotokoll wurde verwendet, um drei untersucherunabhängige 3D-Parameter zu bestimmen: Clear space difference (Diastasenänderung zwischen Tibia und Fibula), Translation angle (Rotation der Fibula um die Tibia), Vertical offset (vertikale Verschiebung der Fibula gegenüber Tibia).
Die Fußpositionierung hatte einen signifikanten Einfluss auf die Stellung des DTFG. Die größten Auswirkungen stellten ein um 0,46 mm (SD 0,21 mm) vergrößerter Clear space bei belasteter Dorsalflexion sowie ein Translation angle von 2,36° (SD 1,03°) bei belasteter Außenrotation dar, beides im Vergleich zur belasteten Neutralstellung. Die Belastung selbst führte in keiner Position zu einer Diastasenänderung oder vertikalen Verschiebung der Fibula. Der einzige signifikante Einfluss der Belastung zeigte sich durch einen Translation angle von -0,81° (SD 0,69°) bei Innenrotation des Fußes.
Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die Fußpositionierung die Messungen zur Bewertung der Stellung des DTFG deutlich beeinflusst. Die Belastung hingegen scheint keine relevanten Auswirkungen auf die nativen Sprunggelenke in neutraler Position zu haben.


Die vollständige Veröffentlichung findet sich unter folgendem Link.

TV-AUFTRITT BEI EINFACH GENIAL

© Mitteldeutscher Rundfunk

Zusammen mit der eCovery GmbH sind wir im Erfindermagazin "Einfach genial" des MDR zu sehen. Darin wird gezeigt, wie mithilfe eines optischen Messsystems der Carl Zeiss GOM Metrology GmbH die Bewegungssensoren einer neuartigen Physiotherapie-App validiert werden. Genaueres zum "Physiotherapeuten in der Hosentasche" seht ihr im folgenden Beitrag (ab 15:05 min):  Einfach genial | MDR.DE 

NEUE PUBLIKATION IN SCIENTIFIC REPORTS

Influence of thread design on anchorage of pedicle screws in cancellous bone: an experimental and analytical analysis

In Zusammenarbeit mit der HTWK Leipzig wurde experimentell und analytisch der Einfluss des Gewindedesigns auf die Verankerung von Pedikelschrauben in Spongiosa untersucht.
Die Gewinde moderner Pedikelschrauben können sehr unterschiedlich gestaltet sein. Es ist schwierig zu beurteilen, welches Zusammenspiel von Designmerkmalen für die Schraubenverankerung besonders vorteilhaft ist. Ziel dieser Studie war es daher, das Verständnis für das Verankerungsverhalten zwischen Schraube und Spongiosa zu verbessern. Es wurden Auszugstests mit sechs Pedikelschrauben in jeweils zwei Größen an Polyurethanschaumblöcken in jeweils drei Dichten durchgeführt. Aus dem speziellen Schraubendesign wurden allgemeinere Schraubeneigenschaften abgeleitet und anhand der Testdaten bewertet. Einige Schraubenmerkmale, wie z. B. die Verdichtung, eignen sich gut für den Vergleich der verschiedenen Gewindedesigns von Schrauben mit konischem Kern. Die Kombination von zwei Merkmalen, von denen das eine die Knochenverdichtung und das andere die Gewindeflankenfläche darstellt, scheint für die Beurteilung des Verankerungsverhaltens besonders vorteilhaft zu sein. Mit einer aus diesen Merkmalen abgeleiteten Gleichung konnte die Auszugsfestigkeit sehr genau berechnet werden (mittlere Abweichung 1 %). Darüber hinaus wurden die Ergebnisse durch Versuche am Spendermaterial bestätigt. Bei Schrauben mit konischem Kern ändern sich die Designanforderungen für eine gute Verankerung gegen Auszug aus der Spongiosa mit der Materialdichte. Bei ausreichender Knochenqualität sind Schrauben mit hohem Verdichtungseffekt vorteilhaft, während bei geringer Knochendichte auch ein hoher Gewindeflankenbereich für eine bessere Schraubenverankerung notwendig erscheint.

Die vollständige Veröffentlichung findet sich unter folgendem Link.

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ZIM-ERFOLGSBEISPIEL

© Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

In Deutschland werden jährlich mehr als 200.000 künstliche Hüften implantiert. Dabei haben sich die Anforderungen an die Qualität der Gelenkimplantationen in den letzten Jahren stark gewandelt. Stand anfangs noch die Schmerzlinderung im Vordergrund, gewinnt die Wiederherstellung für alltägliche Lebenssituationen, aber auch für begrenzte sportliche Betätigung, zunehmend an Bedeutung. Implantatverschleiß und die Rekonstruktion der natürlichen Biomechanik stellen die Hersteller allerdings noch immer vor große Herausforderungen. Um entsprechende Lösungen zu erarbeiten, forschen und entwickeln im Kooperationsnetzwerk KUNSTGELENK deutschlandweit dreizehn Industriepartner und neun Forschungseinrichtungen erstmals entlang der gesamten Wertschöpfungskette eines Implantats – von der klinischen Anforderung über Entwicklung, Fertigung, Zulassung bis hin zum Vertrieb.

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