Ein kombinierter FEM-DEM-Ansatz: Interface-Stiffening durch Verdichtung des periprothetischen Knochens im zementfreien Gelenkersatz

Betreuer/in:            Sebastian Zobel           
Dekanat/Institut:   Maschinenbau, M3           

E-Mail:   sebastian.zobel@tuhh.de

Ziel und Inhalt der Arbeit. In dieser Arbeit soll ein kombiniertes Finite-Diskrete-Elemente-Modell
mit der Simulationssoftware EDEM entwickelt werden, das den axialen Auszugversuch von Implantaten
simuliert. Dabei soll die Erhöhung der initialen Stabilität des Implantates im Knochen durch Verdichtung des umliegenden Knochens mit Abriebpartikeln abgebildet werden.
Dazu sind die Ergebnisse einer vorangegangenen FEM Analyse des Auszugversuches mit einer DEM
Analyse zu kombinieren. Dabei ist die Interaktion von Partikeln und Trabekeln (Spannungen, Ver-
schiebungen) von besonderem Interesse. Nach erfolgter Validierung des Modelles ist ein Ausblick mit
Hilfe der Simulationsergebnisse zu geben, welche Parameter in welchem Ausmaß die Primärstabilität
weiter erhöhen könnten.

Hintergrund. Die zementlose Verankerung von Implantaten gewinnt in der totalen Knieendoprothetik
besonders bei jüngeren und aktiveren Patienten an Bedeutung. Die initiale Festigkeit unmittelbar nach
der Implantation (Primärstabilität) ist dabei einer der Faktoren, der zu Erfolg oder Misserfolg des Im-
plantates führt. In Deutschland stellt die Lockerung einer Komponente den häufigsten Revisionsgrund
von primären Knie-Totalendoprothesen dar1. Eine Lockerung kann beispielsweise von einer unzu-
reichenden Primärstabilität ausgehen. Im Labor ist der axiale Auszugversuch zur Bestimmung der
Primärstabilität ein etabliertes Verfahren. Resultate voriger Studien zeigten eine hohe Abhängigkeit
der Primärstabilität von der Knochendichte. Zusätzlich kann die Verdichtung des Knochens in Implan-
tatnähe durch Abriebpartikel die Primärstabilität erhöhen2. Zur genaueren Untersuchung der Primär-
stabilität wird ein Versuchsaufbau verwendet, in dem gezielt Parameter wie die Verdich-
tung variiert werden können. In der Literatur wird Verdichtung nur unzureichend als Kontinuum simu-
liert. Eine hochaufgelöste Modellierung mittels Diskrete-Elemente-Modellierung (DEM) bietet die
Möglichkeit das Zusammenspiel aus Knochendichte, Verdichtung und Primärstabilität genauer zu
verstehen.

 

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