Spannungs- und Bruchverhalten des gesunden Gelenkknorpels unter axialer Belastung. Eine biomechanische Untersuchung

Zusammenfassung

Zielstellung: Schäden des Gelenkknorpels sind in erster Linie auf degenerative Prozesse zurückzuführen. Angaben über die physikalischen und werkstofftechnischen Eigenschaften differieren. Ziel der Untersuchung ist die Bestimmung der Materialeigenschaften des hyalinen Gelenkknorpels unter axialer Druckbelastung zur Bestimmung von elastischer und plastischer Verformung, Elastizitätsmodul und Bruchspannung.
Methode: Osteochondrale Chips aus dem medialen Femurkondyl weiblicher Schlachtschweine (n=28) wurden allseits in Gips eingebettet, um die seitliche Verbiegung (Scherung) nahezu auszuschließen. In der Materialprüfmaschine (Zwick Z2.5/TS1S, Ulm) wurden die osteochondralen Präparate unter axiale Druckbelastung gebracht, um die Materialeigenschaften und die Bruchspannung zu untersuchen.
Ergebnisse: Bei niedriger Druckbelastung (bis 5 MPa) ist der hyaline Knorpel nahezu ideal elastisch, stärkere Druckbelastung führt zur plastischen Verformung. Bei einer Druckspannung zwischen 3 und 5 MPa gilt das Hookesche Gesetz. Das Elastizitätsmodul wurde bei einer Druckspannung von 3,8 MPa ermittelt und beträgt 39,2 ± 11,9 N/mm². Eine Druckspannung von 25,8 ± 5,2 MPa (σ_max) führt zur chondralen Fraktur. Die Bruchfestigkeit korreliert mit der Dicke des Knorpels (r=0,71; p < 0,05).
Schlussfolgerungen: Hyaliner Knorpel ist mit einem Elastizitätsmodul von ca. 40 MPa weich. Bis zu einer Druckbelastung von 6 MPa verhält er sich nahezu ideal elastisch. Eine höhere Druckbelastung bewirkt zunächst eine zunehmende plastische Verformung. Die durchschnittliche Bruchspannung beträgt 25,8 MPa. Dies entspricht der Kraftentwicklung beim ungebremsten Aufprall aus 4,3 m Höhe. Insofern sind isolierte Knorpelverletzungen ohne begleitende ligamentäre oder ossäre Schäden unter axialer Belastung eher unwahrscheinlich.

Abstract

Intention of the study: Explanations concerning the physical properties of hyaline cartilage are different. It was the intention of this study to determine the material parameters of hyaline cartilage under axial load (elasticity, plasticity, elasticity and module pressure stress to break).
Methods: Specimens from the medial femoral condyle (chondro-cortical ships) from adult female domestic pigs (n=28) were used for the experiments. The specimens were completely embedded in plaster to minimize shearing. Axial load was carried out by an universal mechanical testing machine (Zwick Z2.5/TS1S, Ulm, Germany) to determine elastic and plastic deformation and pressure stress to break.
Results: Axial load up to 5 MPa produces an almost elastic deformation, an increasing axial load results in a plastic deformation. In the range of 3 to 5 MPa the principle of Hooke is valid. The elasticity module amounted to 39.2 ± 11.9 N/mm², determined under 3.8 MPa axial load. An axial load of 25.8 ± 5.2 MPa (σ_max) causes a break of cartilage. A strong correlation between break resistance and thickness of the chondral slice (r=0.71; p < 0.05) was observed.
Conclusions: The low module of chondral elasticity characterizes this tissue as “soft”. Moderate axial load causes an ideal elastic, higher axial load a plastic deformation. The medium pressure to break to amounted 25.8 MPa. The medium pressure to break of 25.8 MPa is comparable with the forces produced by an unrestrained limited downfall from a height of 4.3 m. It must be concluded that isolated chondral fractures are rare consequences of a trauma as long as accompanying ligamentous or osseous damages are not found.

Knorpel - Biomechanik - Elastizität - Plastizität - Druckspannung

Cartilage - biomechanics - elasticity - plasticity - axial load

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