Biomechanische Untersuchungen am Meniskus unter dynamischen und stoßförmigen Belastungen

• Antragsteller: Professor Dr. Lutz Dürselen
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255994026

Die Teilresektion ist immer noch der am häufigsten durchgeführte chirurgische Eingriff am Meniskus. Sie geht mit einem erhöhten Kontaktdruck im tibiofemoralen Gelenk einher und birgt deshalb die Gefahr der frühzeitigen Knorpeldegeneration. Die Versuche einen Meniskusersatz zu entwickeln, haben bisher noch kein zufriedenstellendes Ergebnis erbracht. Ein wesentlicher Grund hierfür sind die unzureichenden mechanischen Eigenschaften der bisher verwendeten Materialien. Welchen Belastungen Meniskusersatzimplantate ausgesetzt sind, ist aber noch nicht ausreichend geklärt. So ergaben biomechanische Untersuchungen des Antragstellers und anderer Autoren bei quasistatischen Belastungen und langsamen Bewegungen des Kniegelenkes nur sehr geringe Kräfte in den Verankerungsbändern der Menisken. Dies steht im Widerspruch zu den hohen Reißkräften dieser Ligamente. Es wird deshalb die Hypothese aufgestellt, dass diese Kräfte unter dynamischen oder stoßförmigen Belastungsbedingungen, wie sie z.B. beim Sport auftreten, stark ansteigen, was wesentliche Auswirkungen auf die Anforderungen an Meniskusersatzmaterialien und deren Verankerung hätte. Um diese Fragestellung zu untersuchen, soll ein dynamischer Kniegelenksimulator entwickelt werden, der annähernd physiologische Lastverhältnisse erzeugen kann, wie sie z.B. bei dynamischen Vorgängen wie einer Sprunglandung auftreten. Der Kniegelenksimulator wird nach dem Vorbild eines Oxford-Rigs aufgebaut. Ein Kniegelenkpräparat wird dabei in einem Rahmen mittels einer durch einen Hydraulikzylinder vertikal verfahrbaren Traverse unter Ermöglichung aller erforderlichen Freiheitsgrade dynamisch bewegt. Um physiologische Gelenk- und Bodenreaktionskräfte zu erzielen, müssen die wichtigsten Knie übergreifenden Muskelgruppen simuliert werden. Die Höhe der Muskelkräfte und ihre zeit- und beugewinkelabhängige Aktivierung während dynamischer Vorgänge sollen mit Hilfe inverser Dynamik im Rahmen eines Unterauftrages berechnet werden. Nach Konstruktion und Bau des Simulators werden Validierungsexperimente mit einem idealisierten Modellkniegelenk durchgeführt. Schließlich erfolgen in vitro Experimente an 20 Kniegelenkspräparaten, die zum Ziel haben, die Beanspruchung der Menisken und ihrer meniskotibialen Verankerungsligamente unter dynamischen und stoßförmigen Belastungen zu ermitteln. Bei allen Experimenten werden die Dehnungen der anterioren meniskotibialen Bänder und der Meniskusperipherie sowie der tibiofemorale Kontaktdruck aufgezeichnet. Im Anschluss an die Tests im Kniegelenksimulator werden Zugversuche an den isolierten meniskotibialen Bändern unternommen, um aus den gemessenen Dehnungen auf die Zugkräfte schließen zu können. Der neuartige Kniegelenksimulator wird sich in Zukunft zur Bearbeitung einer Vielzahl weiterer klinisch relevanter Fragestellungen z.B. zum Meniskus, Bandapparat oder Gelenkersatz eignen, bei denen realistische Belastungen unter dynamischen und stoßförmigen Bedingungen gefordert sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Hydraulischer Linearantrieb
• Gerätegruppe: 2910 Dynamische Prüfmaschinen und -anlagen, Pulser