Substantia spongiosa des humanen Humeruskopfes: Eine explorative in-vitro-Studie zur Bestimmung von Elastizitätsmodul und Morphologie

Abstract

Die operative Versorgung von Frakturen des Oberarmkopfes, welche zu den häufigsten Frakturen des älteren Menschen zählen, stellt insbesondere am osteoporotisch veränderten Knochen eine große Herausforderung dar. Zur Erforschung und Optimierung der Osteosyntheseverfahren existiert derzeit weder ein passendes Modell, noch stehen die zur Modellbildung erforderlichen Strukturdaten zur Verfügung. Aufgabe dieser Arbeit sollte es daher sein, unter Berücksichtigung osteoporotischer Veränderungen des Knochens die Morphologie auf mikroskopischer Ebene und den E-Modul als spezifischen Materialparameter der Substantia spongiosa des humanen Humeruskopfes genauer zu bestimmen und so eine Modellbildung zu ermöglichen. Aus zehn fresh frozen humanen Humerusköpfen wurden zylindrische Proben entnommen und mittels μCT strukturell untersucht. Zudem wurden aus fünf Humerusköpfen insgesamt 50 stabförmige Trabekeln präpariert, vermessen und mechanisch geprüft. Hierzu wurden die Trabekeln auf einem Objektträger fixiert und unter einem Stereomikroskop axial rotiert, wobei aus den Bilddaten computergestützt der Probenquerschnitt ermittelt wurde. Anschließend wurden die Proben in einem 2-Punkt-Biegeversuch belastet. Mittels der Finite-Elemente-Methode wurde dann der E-Modul der Probe bestimmt. In der strukturellen Untersuchung zeigte sich, dass mit zunehmendem Alter sowohl der ossifizierte Anteil der Spongiosa abnimmt (p < 0,005) als auch die Strukturänderung der Trabekeln von plattenförmig in Richtung stabförmig erfolgt (p < 0,005). Auch der Mineralisierungsgrad der Knochen von im Mittel 1,24 (± 0,06) g/mm³ nimmt mit zunehmendem Alter ab (p < 0,005). Der ermittelte E-Modul beträgt im Mittel 1,33 (± 1,76) GPa. Die nachgewiesenen Strukturveränderungen zeigen die osteoporotische Veränderung des untersuchten Knochens. So konnte in dieser Studie erstmals der E-Modul der Substantia spongiosa des osteoporotisch veränderten humanen Humeruskopfes ermittelt werden und steht nun zur Modellbildung zur Verfügung. Auch wurde die Eignung der hierfür im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methode nachgewiesen. Durch die Implementierung der zerstörungsfreien Probenvermessung vor Belastung konnte hierbei eine wesentliche methodische Verbesserung zu bisher beschriebenen Verfahren erzielt werden.