Biomechanische Untersuchungen zur Knochenbruchheilung und Entwicklung eines aktiven intramedullären Implantats

Zusammenfassung

Für die Versorgung von Frakturen langer Röhrenknochen, inklusive des Femurs eignen sich im besonderen Maße intramedulläre Kraftträger wie Verriegelungsnägel. Die heute verwendeten Implantate sind allerdings starre Hilfsmittel, die sich nicht oder nur in geringem Maße an den Heilungsprozess anpassen. Für eine mechanisch optimierte Knochenbruchheilung ist ein Implantat sinnvoll, das während der Heilung seine axiale Steifigkeit vermindert. Dadurch wird der gebrochene Knochen angeregt, lastoptimierter zu heilen und im Endstadium der Heilung die volle Last zu übernehmen. Nach Entfernung des Implantats wird die Gefahr einer Refraktur zudem deutlich gemindert. In diesem Beitrag werden analytische Untersuchungen an mechanischen Modellen für das Verbundsystem Knochen/Implantat vorgestellt. Am Beispiel eines gebrochenen, mit einem Verriegelungsnagel versorgten Femurs werden Simulationsrechnungen durchgeführt. Die Modelle berücksichtigen die elastischen Eigenschaften des gesunden Knochens, des heilenden Knochenabschnitts und die Steifigkeit des Verrieglungsnagels unter der beim Femur üblichen Normalkraftbelastung. Die Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie sich die Lastverteilung zwischen Knochen und Implantat während der Heilung verändert. Es zeigt sich, dass das starre Implantat bei einem fast vollständig wiederhergestellten Knochen noch hohe Lastanteile übernimmt. Die Berechnungsmodelle des Knochen-Implantat-Systems mit veränderbarer Implantatsteifigkeit stellen aus mechanischer Sicht ein lastoptimiertes Verhalten für verschiedene Heilungsstadien dar.

Biomechanical investigations of fracture healing and the development of an active intramedullary implant

Summary

The medical treatment of fracture of the femur can take place with osteosynthesis aids such as intramedullary interlocking nails. The implants used nowadays are however rigid aids, which hardly can adapt to the healing process. For a mechanically optimised fracture healing an implant which reduces its axial stiffness during the healing process of the bone is ideal. Thus the broken bone will be stimulated to an optimised healing rate and be fully loaded in the final stage of the healing. Furthermore after removal of the active implant the risk of a refracture is obvious reduced. This paper contains analytical studies of structure mechanical models for the compound spring-system bone/implant. Calculations are based on a model of a typical diaphysialy broken femur, stabilised by an interlocking nail. The model considers the flexible characteristics of the normal bone, the fractured bone segment and the stiffness of the interlocking nail. The bone/implant model is supplied with the usual normal force. The results inform about the distribution of load between bone and implant during the healing process. It is shown that the rigid implant takes high portions of load at an almost completely healed bone. The flexible bone-implant-system with variable implant stiffness promotes an optimised behaviour for different healing stages from a mechanical point of view.

Schlüsselwörter

Biomechanik - Verriegelungsnagel (aktiv) - Femurfraktur

Key words

Biomechanics - interlocking nail (active) - femoral shaft fractures

Literatur

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1 aus mechanischer Sicht: Implantate mit hoher Steifigkeit im Vergleich zum Knochen