Experimentelle Untersuchung zur mechanischen Belastbarkeit und Funktion eines neuen Kallusdistraktionssystems unter Berücksichtigung der biologischen Rahmenbedingungen beim Knochensegmenttransport

Abstract

Die vorliegende Arbeit soll klären, ob das zu prüfende Kallusdistraktionssystem (KDS) bezüglich seiner statischen, dynamischen und funktionellen Eigenschaften den Anforderungen an ein intramedulläres System zur Kallusdistraktion gerecht wird. Die statischen Tests, 4-Punkt-Biegeprüfung und Torsionsprüfung des KDS, wurden zur vergleichenden Bewertung auch am Klemm-Schellmann-Nagel durchgeführt. Der dynamische Test der Dauerschwingprüfung diente im Ergebnis zur Klärung der Mindestbelastbarkeit des KDS, die zur Kallusdistraktion erreicht werden muss. Die Funktionsprüfung des KDS beinhaltet die Messung der Zugkraft-Transportkraft-Relation, der Zugkraft-Weg-Relation und der maximalen Transportkraft der Mechanik. Zum Verständnis der mechanischen Abläufe im KDS bei der Kallusdistraktion wurden die Einzelkomponenten des KDS und deren Zusammenwirken beschrieben und anhand der Messergebnisse analysiert. Die Fehleranalyse wiederum ermöglichte eine stetige Verbesserung des KDS nach jeder Messreihe. Die Prüfvorrichtungen wurden den Prüfstücken entsprechend individuell angefertigt, wobei die Hardware, die Prüfungssoftware und die Prüfmaschine dem internationalen Standard entsprachen. Zur Vergleichbarkeit der gemessenen Daten mit den Daten in der Literatur dienten international anerkannte physikalische Einheiten und Definitionen. Zur statistische Auswertung wurde u.a. der Shapiro-Wilk-Test, der Einstichproben t-Test und der nichtparametrische U-Test nach Mann und Whitney angewandt. Das Signifikanzniveau der Vergleichsstudien liegt bei p=0,05.Die statische Beanspruchung des KDS-Nagels auf Biegung und Torsion ergab im Vergleich zum Klemm-Schellmann-Nagel folgende Erkenntnisse und Ergebnisse: Die Torsionsstabilität des KDS-Nagels war doppelt so hoch wie die des Klemm-Schellmann-Nagels (Einflussfaktoren: Schlitz, Wandstärke, Wülste). beide Nägel erreichten eine elastische Verdrehung ohne plastische Verformung bis mindestens 40°. Die Biegestabilitäts-Prüfung zeigte Unterschiede zwischen beiden Nagelprofilen. Beide Nagelprofile erfüllten die zu erwartenden Biege- und Verdrehbeanspruchungen: die in der Literatur angegebenen Werte über die Größe der mechanischen Beanspruchung eines intramedullären Kraftträgers auf Biegung und Torsion lagen für beide Nageltypen im unteren Bereich der elastischen Verformung. Die Ergebnisse ließen sich in Einklang mit vorausgehenden Publikationen über mechanische Untersuchungen bringen.Die dynamische Beanspruchung führte zu folgenden Erkenntnissen und Ergebnissen: Es existiert keine Normierung bei der Überprüfung der dynamischen Strukturfestigkeit eines Prüfstückes. Es liegen bislang in der Literatur keine verlässlichen Messwerte über die Größe der zu erwartenden dynamisch-mechanischen Beanspruchung eines intramedullären Kraftträgers während der Frakturheilung vor. Der KDS-Nagel erfüllte bei ungünstig gewählten Bedingungen (große Defektstrecke, fehlende Lastübernahme des Kallusregenerates) einen ausreichenden Sicherheitsspielraum (140malige Teilbelastung pro Tag). Die Größe der Lastübernahme des Kallusregenerates konnte nur abgeschätzt werden.Die funktionelle Prüfung zeigte: Es wurden ausreichende Transportkräfte durch die Mechaniken erreicht. Es zeigte sich eine Steigerung der Transportkraft auf 444 N unter Reduktion der Zugkräfte mit positiver Kraftverstärkung. Die Reduktion der Spindelsteigung war wesentlichste konstruktive Veränderung der Mechanik. Die Mechanik transportierte nicht zuverlässig; der Rückstellmechanismus konnte nicht nachhaltig verbessert werden. Die Transportstrecke konnte nicht genau definiert werden; es war nur eine Abschätzung möglich. This work should clarify whether the callus distraction system (CDS) fulfills the requirements of an intramedullar system for callus distraction with regard to its static, dynamic and functional attributes. The static tests, 4-point elasticity test and torsion test of the CDS were performed for the comparative assessment on the Klemm-Schellmann nail as well. The dynamic test of the permanent oscillation test served to determine the minimum strain of the CDS which has to be achieved to accomplish callus distraction. The functional test of the CDS included the measurement of the traction-transportation force relation, the traction-distance ratio and the maximum transportation force of the mechanism. To understand the mechanical processes in the CDS during callus distraction, the individual components of the CDS and their interactions were described and analyzed on the basis of the measurement results. The error analysis on the other hand allowed a continuous improvement of the CDS after each series of measurements. The testing equipment was produced specifically for the test pieces, whereby the hardware, the testing software and the testing machine meet the international standards. Internationally recognized physical units and definitions were used to compare the data measured with the data in the literature. The Shapiro-Wilk test, the puncture t-test and the not-parameterized U-test according to Mann and Whitney were applied for statistical evaluation. The significance level of the comparative studies was p=0.05.The statistical strain of the CDS nail on the elasticity and torsion produced the following results and knowledge in comparison to the Klemm-Schellmann nail: The torsion stability of the CDS nail was twice as high as that of the Klemm-Schellmann nail (inclusion factors: fissure, wall strength, projections). Both nails attained an elastic torsion of at least 40° without plastic deformation. The elastic stability test demonstrated differences between the two nail profiles. Both nail profiles fulfilled the expected elasticity and torsion requirements; the values in the literature about the magnitude of the mechanical strain of an intramedullar weight-bearer on the elasticity and torsion for both types of nails was in the lower range of the elastic deformation. The results were consistent with the previous publications about mechanical investigations.The dynamic strain led to the following results and knowledge: There is no standardization in the testing of the dynamic structural stability of testing piece. To date there are no reliable measured values in the literature about the magnitude of the dynamic-mechanical strain of an intramedullar weight-bearer to be expected during the healing of a fracture. The CDS nail provided a sufficient amount of security (140 partial strains per day) with unfavorable conditions (large defect distance, failure of callus regenerate to assume burden). The magnitude of the weight assumption of the callus regenerate could only be estimated.The functional test proved: Sufficient transport forces were achieved by the mechanics. There was an increase of the transportation force to 444 N with reduction of the traction with positive strength reinforcement. The reduction of the spindle incline was the most essential constructive change of the mechanism. The mechanism did not transport reliably; the reset mechanism could not be sustainably improved. The transport distance could not be precisely defined; only and estimate was possible.