Ermittlung des E-Moduls menschlicher Humerustrabekel und Validierung geplotteter Trabekel zur Entwicklung eines standardisierten Humerusknochenmodells

Abstract

Da die bestehende Literatur zum Thema Elastizitätsmodul des Einzeltrabekels eine hohe Streuung der Ergebnisse aufweist oder nur kleine Fallzahlen untersucht, gleichzeitig aber eine hohe medizinische und medizintechnische Relevanz des Themas besteht, wurden in dieser Arbeit 50 menschliche Humerustrabekelproben geometrisch vermessen und einem zuvor validierten 2-Punkt-Biegeversuch unterzogen. In Kombination mit einer FEM-Simulation wurde so der die Steifigkeit beeinflussende Materialkennwert E-Modul ermittelt (Mittelwert: 1678 MPa; untere/obere Grenze des 95 % Konfidenzintervalls: 829/3396 MPa). Da der ermittelte E-Modul der gepoolten Daten der humanen Humerustrabekel mit Literaturwerten übereinstimmt und das Messverfahren in einer anderen Arbeit validiert wurde, kann davon ausgegangen werden, dass die Methode des 2-Punkt-Biegeversuchs mit anschließender FEM-Simulation als Messmethode geeignet ist. Durch das neu entwickelte Verfahren war eine kostengünstige, ganzheitliche und von der Beanspruchungsart her physiologische Messung von Trabekeln mit einer im Vergleich zu Literaturwerten hohen Fallzahl (gültige Messungen: n=34) möglich. Die ursprünglich geplante zusätzliche Validierung durch Messung von mittels 3-D-Druck hergestellten Trabekeln mit bekannten Materialeigenschaften verlief nicht wie gewünscht. Zwar war die beabsichtige Herstellung einer Spongiosaprobe aus Kunststoff erfolgreich, die gemessenen E-Modul-Werte der Kunststofftrabekel lagen mit 51,50 MPa Mittelwert jedoch zwei Größenordnungen unter dem Materialkennwert des verwendeten Kunststoffs Durus White®, welcher laut Datenblatt 1000-1200 MPa beträgt. Die Ursachen hierfür liegen höchstwahrscheinlich in einer ungenauen Bestimmung der Probengeometrie der Kunststofftrabekel auf Grund von schwer entfernbaren, fertigungsbedingten Stützmaterialresten, welche nicht zur Stabilität beitragen, sowie mikroskopischen Fertigungsfehlern, welche bei den vorliegenden Probendimensionen eine relevante Schwächung der Struktur verursachen können, begründet. Als Weiterentwicklung dieser Arbeit, wäre es zunächst notwendig ein geeignetes Verfahren zur Entfernung von nicht zur Stabilität beitragenden, fertigungsbedingten Stützmaterialresten aus den geplotteten Spongiosaproben zu entwickeln. Alternativ wäre ein makroskopisches Verfahren denkbar, bei welchem Stützmaterialreste nicht zur Verfälschung des Endergebnisses beitragen, beispielsweise durch Zug- oder Druckmessung an natürlichen und geplotteten Spongiosazylindern und anschließenden Vergleich. Damit ergäbe sich eine neuartige, indirekt-iterative Messtechnik über Vergleiche mit Referenzproben.