Biomechanik

Im Rahmen der Gesamtstudie erfolgte eine eingehende Untersuchung der Schafknochen (DREYMANN 2007)

In der vorliegenden Arbeit zum Thema der Bohrtunnelerweiterung wurden diese Ergebnisse vor allem in Hinblick auf Korrelationen mit den Resultaten der radiologischen, knochen-densitometrischen und histologischen Untersuchungen verwendet.

3.5.3.1 Vorbereitung

Für die biomechanischen Untersuchungen wurden die Kniegelenke von sechs bzw. fünf Tie-ren pro Wochengruppe sowie die „Zeitpunkt-Null-Tiere“ (n = 6) verwendet. Nach der Eutha-nasie der zu untersuchenden Tiere wurden die Hintergliedmaßen im Hüftgelenk exartikuliert.

Anschließend wurde die Haut abpräpariert und die Hinterextremitäten in mit isotoner Koch-salzlösung getränkten Kompressen umwickelt. Die Proben wurden in luftdichten Plastikhüllen eingeschweißt gelagert und im Labor für Biomechanik und Biomaterialien (LBB) bei –20°C eingefroren.

Zwölf Stunden vor der jeweiligen biomechanischen Testung wurden diese Proben wieder aufgetaut. Danach folgte die Entfernung bzw. Abtrennung des proximalen Drittels des Femurs und des distalen Drittels der Tibia mit einer Handsäge.

Bis auf die Kniegelenkskapsel wurde das gesamte Weichteilgewebe abpräpariert sowie die Knochenhaut (Periost) mit einem Raspatorium entfernt. Während der vorbereitenden Maß-nahmen und der eigentlichen Testungen wurden die Kniegelenkspräparate regelmäßig mittels in isotoner Kochsalzlösung getränkten Gaze befeuchtet. Die freien Knochenenden wurden dann in Metallzylinder eingebettet, dafür verwendete man einen Drei-Komponenten-Kunst-harz (Rencast). Vorher wurden in diese Zylinder 3-6 Löcher gebohrt, in die das erst noch flüs-sige Kunstharz hineinfließen konnte und nach Aushärtung dadurch eine stabilere Verankerung des Knochen in dieser Metallvorrichtung gewährleistete. Desweiteren wurden die Zylinder mit Vaseline eingefettet und jeweils eine Öffnung des Metalltunnels mit einem breiten Klebe-band verschlossen und in die andere Öffnung mittig die Tibia platziert. Vorsichtig wurde nun der nach Herstelleranweisung zu gleichen Gewichtsanteilen vermengte Drei-Komponenten-Kleber in den schmalen Raum zwischen Knochen und Metall gegossen, bis dieser nach ca. 15

Minuten aushärtete. In gleicher Weise wurde mit dem femoralen Anteil des Kniegelenk-präparats verfahren. Die im folgenden beschriebenen biomechanischen Testungen fanden alle in den Räumen des Labors für Biomechanik und Biomaterialien der Orthopädischen Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover statt.

3.5.3.2 Anterior-Posterior-Translation

Die Stabilität des Knies wurde anhand des Parameters der Anterior-Posterior-Translation (AP-Translation) in einem Robotersystem (KUKA KR 15/1) getestet (Abb. 10).

Der Roboter ist in der Lage externe Kräfte in sechs Freiheitsgraden entlang eines kartesischen Koordinatensystems auf das Gelenk auszuüben und ermöglicht u.a. die Simulation einer klini-schen Untersuchung (Schubladentest). Das System arbeitet in zwei Modi, wobei entweder der Faktor Kraft oder der Faktor Weg am Anfang der Testung definiert wird. Die Anterior-Poste-rior Stabilität ist bei operierten und intakten Kniegelenken in Millimetern (mm) bestimmt worden und ist als mögliche tibiale Translation nach anterior und posterior bei einer Maxi-malkraft von ± 50 Newton (N) definiert.

Das zu testende Knie wurde mittels der Metallzylinder in 90° Flexion im Roboter einge-spannt. Zuerst ist die Neutralposition bestimmt worden, d.h. in der das vordere Kreuzband (intaktes Gelenk) bzw. das Transplantat (operiertes Gelenk) nicht belastet wurde. Danach folgte die Erstellung eines Koordinatensystems für das jeweilige Knie, wobei das Zentrum dieses Systems durch Extensions-/Außenrotations- und Innenrotationsbewegungen von je-weils 2,5° ermittelt worden ist. Die Tibia wurde dann entlang der entsprechenden Achse mit einer Geschwindigkeit von 0,1 mm/s in Relation zum Femur nach anterior und posterior be-wegt bis die Maximalkraft von ± 50 N erreicht war (5 Freiheitsgrade).

Pro Versuchsdurchlauf fanden unter simultaner Messung von Kraft und Weg drei derartige Bewegungszyklen statt. Bestimmt wurde die AP-Translation zunächst an den Kniepräparaten mit vorhandener Gelenkkapsel, danach wurden für denselben Test Kapsel, Kollateralbänder und Menisken direkt am Roboter entfernt.

Nach Abschluss der Translationsprüfung wurden die Gelenkpräparate mit Zylinder aus ihrer Verankerung am Roboter gelöst und für die weiteren Untersuchungen erfolgte die Entfernung des hinteren Kreuzbandes mittels eines Skalpells.

3.5.3.3 Steifigkeit

Die funktionelle Steifigkeit wurde im Rahmen der AP-Translationsmessung bestimmt. Das für die Testung der AP-Verschiebbarkeit erstellte Koordinatensystem für das jeweilige Knie diente auch der Ableitung der Steifigkeit. Das Zentrum dieses Systems wurde durch Extensi-ons-/Außenrotations- und Innenrotationsbewegungen von jeweils 2,5° ermittelt. Die Tibia wurde dann entlang der entsprechenden Achse mit einer Geschwindigkeit von 0,1 mm/s in Relation zum Femur nach anterior und posterior bewegt bis die Maximalkraft von ± 50 N erreicht war (5 Freiheitsgrade). Pro Versuchsdurchlauf fanden unter simultaner Messung von Kraft (N) und Weg (mm) drei derartige Bewegungszyklen statt. Die Steifigkeit (N/mm), die als Steigung aus dem jeweiligen Kraft-Weg-Diagramm abgeleitet wurde, repräsentiert die Fähigkeit des Kreuzbandes bzw. des Transplantates zur Kraftaufnahme im „Anschlagpunkt“

bei der Bewegung nach anterior. Je höher die Steifigkeit, desto steiler die Kurve und desto kürzer der Weg bis zur Maximalkraft von 50 N bzw. bis zum „Anschlag“, d.h. bis zum End-punkt der Kurve.

3.5.3.4 Querschnittsflächenmessung

Zur Messung des Querschnitts des vorderen Kreuzbandes bzw. des Transplantates bestand das Kniegelenkspräparat nur noch aus Femur, Tibia und der verbindenen Bandstruktur. Die Be-stimmung der Querschnittsfläche erfolgte an einem Lasermikrometer im Labor für Bio-mechanik und Biomaterialien der Orthopädischen Klinik der MHH. Dafür wurde das Gelenk über eine zwischen den Femurkondylen proximal angebrachte Schraube in der entsprechend dafür vorgesehenen Vorrichtung des Lasermikrometers fixiert (Abb. 10).

Die Tibia wurde wiederum mit formbaren Kunststoffmaterial im unteren Teil des Mikro-meters positioniert und befestigt. Die Probe war im Bereich des vorderen Kreuzbandes bzw.

des Transplantates zentriert und der Umriss und die Querschnittsfläche dieser Struktur wurde im intraartikulären Bereich nach einer Gesamtrotation von 360° in Einzelschritten von 3° be-stimmt.

Abb. 10: Seitenansicht eines ovinen rechten Kniegelenks mit Gelenkkapselbei der Testung der AP-Translation mit dem Roboter (linkes Bild); Im Lasermikrometer fixiertes rechtes Kniegelenk im Rah-men der intraartikulären Querschnittsflächenmessung (rechtes Bild).

3.5.3.5 Geräte und Materialien

Folgende Geräte und Materialien wurden für die biomechanischen Untersuchungen verwen-det:

Geräte und Materialien Herkunft

Einmalspritze 5 ml, Injekt, B. Braun Melsungen AG, Mel-sungen

Kanüle 0,9 x 40 mm, BD Microlance TM3, Becton

Dickinson S.A., Spanien

Lasermikrometer Laser Micro Diameter, Takikawa Enginee-ring

Materialtestmaschine Zwick, Typ 144570, Ulm Rencast FC 53

(Drei-Komponenten-Kunstharz)

Isocyanate + Polyol + Aluminiumoxidpulver, Gößl & Pfaff GmbH, Karlskron/Brautlach Roboter ( siehe ap.Translationstestung) KUKA KR 15/1, KUKA Roboter GmbH,

Augsburg

Schlauchfolie Omnilab GmbH & Co. KG, Bremen sterile isotone Kochsalzlösung 0,9% B. Braun Melsungen AG, Melsungen

Videokamera Handycam DCR-HC17E, Sony^®, Japan