Biomechanik ist die Wissenschaft von der Bewegung eines lebenden Körpers, einschließlich der Art und Weise, wie Muskeln, Knochen, Sehnen und Bänder bei der Bewegung zusammenarbeiten . Die Biomechanik ist Teil des umfassenderen Fachgebiets der Kinesiologie und konzentriert sich speziell auf die Bewegungsmechanik.

Biomechanik ist die Wissenschaft von der Bewegung eines lebenden Körpers, einschließlich der Art und Weise, wie Muskeln, Knochen, Sehnen und Bänder bei der Bewegung zusammenarbeiten . Die Biomechanik ist Teil des umfassenderen Fachgebiets der Kinesiologie und konzentriert sich speziell auf die Bewegungsmechanik.

Der Einfluss des Spline-Designs von Hüftrevisionsschäften auf die Torsionsstabilität bei größeren proximalen Knochendefekten

Die Studie untersucht, wie das Design von Hüftrevisionsschäften die Torsionsstabilität bei Patienten mit erheblichem Knochenschwund beeinflusst. Verglichen wurde ein etablierter Schaft (Reclaim®) mit einem Prototyp, der zwei Sätze von Rillen, einer weniger ausgeprägt, aufweist. An fünf Paaren menschlicher Oberschenkelknochen wurden große Knochendefekte simuliert, die typischerweise bei Revisionseingriffen vorkommen. Der Prototyp zeigte eine um 54 % größere kortikale Kontaktfläche und eine signifikant höhere Torsionsstabilität (35,2 Nm vs. 28,2 Nm). Obwohl beide Schäfte ähnliche Implantationseigenschaften aufwiesen, benötigte der Prototyp etwas mehr Kraft für eine korrekte Positionierung. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in der Implantationstiefe oder dem Winkelversatz während der Implantation zwischen den beiden Designs festgestellt. Die Studie schlussfolgert, dass zusätzliche weniger ausgeprägte Rillen den Kontakt zwischen Implantat und kortikalem Knochen vergrößern und so eine größere Resistenz gegen Torsionsbelastungen bieten können, was den langfristigen Erfolg von Revisionsoperationen erhöhen könnte.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0291599

Festigkeit der Konusverbindung von modularen Revisionshüftschäften

Die Studie untersucht den Einfluss von Verunreinigungen und unsachgemäßer Montage auf die Stabilität modularer Hüftschäfte bei Revisionsoperationen. Modulare Komponenten bieten Flexibilität bei der Anpassung von Implantaten an die Knochenstruktur des Patienten, sind jedoch anfällig für Relativbewegungen, die zu Reibkorrosion und Implantatversagen führen können. In der Untersuchung wurden 48 Schaft-Hals-Verbindungen unter verschiedenen Bedingungen getestet (nativ, verunreinigt, gereinigt; gesichert, vorgespannt). Die Ergebnisse zeigten, dass Verunreinigungen, insbesondere in Kombination mit unsachgemäßer Montage, die Rotation (35,3° vs. 2,4°), Mikrobewegungen (67,8 μm vs. 5,1 μm) und axiale Verschiebungen (34,1 μm vs. 4,3 μm) deutlich erhöhten. Unsachgemäß gesicherte Verbindungen wiesen eine signifikante Stabilitätsreduktion auf. Die Studie betont die Bedeutung gründlicher Reinigung und korrekter Montage, um ein frühzeitiges Versagen und mögliche Komplikationen zu vermeiden.

https://doi.org/10.1007/s00132-023-04459-2

Post-Mortem-Untersuchungen

Seltene und wertvolle Erkenntnisse können durch die Untersuchung von Obduktionen gewonnen werden. Dies ist in Hamburg in großem Umfang möglich. Implantierte Proben werden mit dem Implantat in situ analysiert, wobei Schnitte entweder mit histologischen Techniken oder nichtinvasiv mit CT-Scanning (nur Titan) angefertigt und die Qualität der Implantatverankerung dokumentiert werden. Mechanische Tests werden durchgeführt, um die Stabilität oder Festigkeit des Implantats zu messen (alle histologischen Schnitte werden 2013 auf dieser Website zu sehen sein).

BoneStress

TUHH BoneStress ist ein interaktives Modell, das die Auswirkungen von Impaktion und Gelenkbelastung auf die Knochenspannung für verschiedene Hüftschaftdesigns demonstriert. Es beschreibt die radiale Lastübertragung zwischen Implantat und Knochen bei unzementierten Pressfit-Hüftschaftimplantationen.

Diese App bietet eine visuelle Darstellung der Spannungszustände zwischen Pressfit-Implantat und Knochen direkt postoperativ und nach dem Einwachsen des Knochens.

Das Schaftdesign (Schaft- und Halslänge, Halswinkel), die Einpresskraft und die Gelenkbelastung können variiert werden, um die Trennung zwischen Implantat und Knochen zu begrenzen und gleichzeitig die Knochenspannung innerhalb der „normalen“ oder „osteoporotischen“ Grenzen zu halten. Dies ermöglicht ein Einwachsen des Knochens und eine geringere Belastung.

Die intuitive Bedienung macht TUHH BoneStress zum perfekten Lernwerkzeug für Chirurgen und ihre Patienten, indem sie den Einfluss des Schaftdesigns, der Implantationsbedingungen und der Patientenaktivität auf die lokale Belastungssituation und deren Auswirkung auf einen erfolgreichen Knochenaufbau demonstriert.

Back to the Research Overview

Die Kraft am Implantat kann nicht mit dem Hammer abgeschätzt werden - Es sei denn, sie wird durch ein Modell unterstützt

In der Studie wurde untersucht, wie sich die beim Fügen der Kopf-Konus-Verbindung von Hüftprothesen aufgebrachten Kräfte entlang des Kraftübertragungswegs abschwächen. Die Kräfte wurden in vitro an der Spitze des Hammers, direkt oberhalb der Polymerspitze des Impaktors und unterhalb des Schaftkonus gemessen. Außerdem wurde ein semi-empirisches Modell entwickelt und validiert, um die Kraftübertragung zu simulieren und die Auswirkungen verschiedener chirurgischer Instrumente vorherzusagen. Es wurden sowohl experimentelle als auch numerische Analysen durchgeführt, mit dem Ergebnis, dass die Maximalkräfte an der Spitze des Impaktors und am Schaftkonus erheblich gedämpft wurden und nur 35 % bzw. 21 % der maximalen vom Hammer aufgebrachten Kraft erreichten. Die Studie unterstreicht, dass eine genaue Bewertung der Kräfte am Implantat die Kenntnis des gesamten Übertragungsweges erfordert und Vergleiche zwischen Studien nur dann sinnvoll sind, wenn die Versuchsaufbauten konsistent sind.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0303682

Unterkiefer-Rekonstruktion

C. Rendenbach, L. Gerbig, M. Boehme, K. Sellenschloh, M.M. Morlock, G. Huber

Freie Knochendeckel sind der Goldstandard für die Rekonstruktion von kombinierten Knochen- und Weichteildefekten nach einer kontinuitätsunterbrechenden Resektion des Unterkiefers. Je nach Art und Größe des Defekts wird das entsprechende autologe Transplantat segmentiert und anschließend entweder mit segmentübergreifenden Titanrekonstruktionen oder Miniplatten fixiert.

Probleme bei den derzeitigen Fixationssystemen sind Materialversagen mit Schraubenlockerung oder Schrauben-/Plattenbrüchen aufgrund von Kaukräften bis zu 1000 Newton, nicht konsolidierte Knochenspalte nach der Fixation und erhebliche Metallartefakte mit Auswirkungen auf die Tumornachsorge durch Computertomographie oder MRT.

In diesem Projekt, einer Kooperation der TUHH mit der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie des Universitätsklinikums Hamburg Eppendorf, wurden die mechanische Festigkeit, das biomechanische Verhalten und die Charakteristika des Materialversagens von verschiedenen Titansystemen aufgezeigt. Darüber hinaus werden alternative Materialien (faserverstärktes Glas, Polylactid und Magnesium) für den Einsatz am Patienten in Betracht gezogen.  

Übersetzt mit DeepL.com (kostenlose Version)

Spinal fatigue strength

G. Huber, K. Nagel, D.M. Skrzypiec, A. Klein, K. Püschel, M.M. Morlock

Spinal in-vitro testing is commonly performed quasi-statically, but the slow loading velocity does not mimic in-vivo conditions well. During occupational activities subjects are exposed to vibrations with high numbers of loading cycles – e.g. during handling and driving of heavy machinery. The purpose of this study is to provide an estimation of fatigue failure strength of human functional spinal units using Wöhler equation.  

41 lumbar specimens were loaded in axial compression for 300,000 cycles with different load levels and the results combined with data of 70 thoracic and lumbar specimens of Brinckmann et al. (1988) loaded with up to 5,000 cycles. Fatigue force of each specimen was normalized (Fnorm) by individual geometrical (endplate area) or material specific parameters (age, BMD) and used to derive a Wöhler equation with cycles to failure as independent variable.  

The fatigue strength of spinal specimens after cyclic loading is significantly lower than their ultimate strength. Including the upper compressive peak, endplate area and age for normalization explained 28% of variation in fatigue force (p<0.001). Introducing BMD instead of age improved the prediction to 61% explained variance of Fnorm (p<0.001). 

Superimposing movements (e.g. bending forward or twisting) might probably lead to smaller numbers of cycles to bone failure or also soft tissue failure. Since it is possible to determine those individual parameters for living subject, the risk of occupational activities can be estimated in combination with numerical models for the appraisal of occupational diseases or further the determination of duty cycles for spinal implants. 

Funding of FIOSH, Germany (F2059, F2069) is kindly acknowledged. 

Micromations at the tape junction of modular hip prostheses

S. Jauch, G. Huber, M.M. Morlock

Since 1972 modular hip prostheses were used in orthopaedic surgery. Modularity of the femoral component of total hip implants became popular because neck length and femur offset could be adjusted intraoperatively. Furthermore it is possible to combine different materials like metals and ceramics. The downside of this flexibility is an additional joining area which bears the risk of incorrect assembly as well as fretting and crevice corrosion.

So far only few studies have experimentally investigated the relative motion in the taper lock interface, which might play a role for occasionally observed prostheses failures. Micromotions in the taper lock interface can lead to a constant abrasion of the neck piece`s passivation layer resulting in fretting and fatigue fracture of the prosthesis. Contamination of the taper joining area might considerably increase the phenomenon.

In this study the fretting and crevice corrosion caused by micro motions at the mating surface is investigated. Inside into the failure mechanism and the influencing factors might help to prevent implant failures in the future.

After quantification of relative motions at the connecting element with neck pieces made of titanium and CoCrMo for different joining conditions suitable test methods for preclinical testing should be developed. A finite-element-model highlights areas with diminished contact forces which are in accordance with zones with increased probability of huge relative motions at the modular interface. Thereby it will be possible to test modular hip prostheses before clinical application in order to avoid prostheses fractures.

Presently, modular hip prostheses are embedded in methyl methacrylate according to ISO 7206-4 and loaded by a servohydraulic test machine (MTS MiniBionixII) with an axial sinusoidal load from 230N to 2300N. To determine the relative motion between the stem and the neck of the prosthesis three eddy current sensors (Micro-Epsilon) are screwed into a holder which is mounted on the stem. As a counterpart a clamp is fixed at the neck piece of the prosthesis.

This study is financially supported by Aesculap AG, Tuttlingen.

Audible Vibrations of total Hip Replacements

A. Hothan, G. Huber, C. Weiß, K. Sellenschloh, N. Hoffmann, M.M. Morlock

Recently, squeaking of total hip replacements with ceramic on ceramic bearing is a frequently discussed phenomenon. Although numerous publications have discussed clinical factors which are potentially essential for its occurrence, the responsible mechanisms are not yet well understood.

Squeaking occurs when structural vibrations are excited in a manner that the vibration amplitudes allow the emission of audible sounds. This is typically possible when the frequency of the excitation matches the natural frequency of a part of the system or the system’s entity. The prosthesis stems are the main vibrating components detuned by the surrounding bone stock and the induced load.

In an artificial hip joint system the friction between the ceramic bearing surfaces due to relative movement during gait cycles induce energy into the vibrating system – the lower the friction the lower the application of energy. An increased friction coefficient allows the excitation of vibration amplitudes which are high enough to emit sounds which are clearly audible from outside the patient’s body.

To study this phenomenon a hip simulator was built to reproduce squeaking in-vitro and to analyze the dynamic events under realistic conditions. Lubrication, bearing clearance, stem and cup design, loading, bearing surface roughness, component orientation, bone quality are just examples for various factors influencing the susceptibility and characteristics of squeaking. Modal analyses, frequency analysis of acoustic noise, analysis of transfer paths utilizing laser vibrometry, high precise microphones and accelerometers as well as explicit and implicit FE analyses are performed to understand the dynamic behavior of prosthesis-tissue systems.

The results from this study will help to understand the responsible mechanisms and influencing factors for squeaking and to develop a remedy.

This study is finically supported by Ceramtec. Components were donated by Aesculap, Biomet, DePuy, Eska, Mathys, Plus and Smith&Nephew.

Ceramic bearing safety

J. Gührs, M.M. Morlock, G. Huber

Ceramic-on-ceramic bearings are frequently used in total hip arthroplasty to avoid the negative long-term effects of metal or polyethylene wear particles. Concerns remain regarding component safety since ceramic is a brittle material and the rare event of component fracture is a devastating scenario for the patient making revision surgery inevitable. Aim of this study is to investigate different worst case scenarios regarding implantation, implant handling and load bearing for ceramic femoral and acetabular bearing components in order to further increase implant safety and reliability.

Laboratory and cadaveric testing is used to simulate and understand failure mechanisms. Microscopic surface analyses as well as numerical and analytical investigations are carried out to derive conclusions how to further improve implant design and implantation handling techniques.

So far, implant re-use and component mismatch experiments with ceramic femoral ball heads have shown that ceramics require careful component matching and handling in accordance with manufacturers’ guidelines to avoid premature failure.

Back to the Research Overview

Biomechanik ist die Wissenschaft von der Bewegung eines lebenden Körpers, einschließlich der Art und Weise, wie Muskeln, Knochen, Sehnen und Bänder bei der Bewegung zusammenarbeiten . Die Biomechanik ist Teil des umfassenderen Fachgebiets der Kinesiologie und konzentriert sich speziell auf die Bewegungsmechanik.

Biomechanik ist die Wissenschaft von der Bewegung eines lebenden Körpers, einschließlich der Art und Weise, wie Muskeln, Knochen, Sehnen und Bänder bei der Bewegung zusammenarbeiten . Die Biomechanik ist Teil des umfassenderen Fachgebiets der Kinesiologie und konzentriert sich speziell auf die Bewegungsmechanik.