Prüfvorrichtungen für natürliche und artifizielle Biomaterialien

Für die Entwicklung von Implantaten ist die Kennwertermittlung an natürlichen Biomaterialien notwendig.
Rind2

Lastversuch an humanem Femur mit angebrachten Dehnmessstreifen (DMS)

Der Versuch dient dazu, herauszufinden, in welchem Maß eine implantierte Endoprothese den Knochen versteift und somit einen sogenannten Stress-Protection Effekt erzeugt. Hierzu wird ein humaner Femur in eine Zwick AllroundLine 20 kN platziert. Die horizontale Lagerung mit Kugelkissen soll auftretende Querkräfte ausschließen. Der Femurkopf wird dann axial belastet. Auf der Oberfläche des Knochens wurden DMS angeklebt, die den Vergleich der Oberflächenspannung am Femur vor und nach der Implantation der Prothese ermöglichen.
Femur1
Femur2
Kniegelenk

Lastversuch an menschlichem Kniegelenk


Mittels eines belastungsgerechten Versuchsaufbau können die auftretenden Kräfte im Kniegelenkt ermittelt werden. 

Biegeversuch an Schafknochen

Zur Ermittlung der Biegesteifigkeit nach einer Bruchheilung wurde eine 3-Punkt-Biege-Prüfung an Schafknochen konzipiert. Hierzu wird der nach einem Bruch verheilte Knochen an seinen Enden in Aufnahmen fixiert bzw. eingegossen. Mit Hilfe einer zwickiLine Tisch-Prüfmaschine 0,5 kN wird die Last aufgebracht. Der Probenhalter ist so konstruiert, dass die Rotation des Knochens um definierte Winkelgrade möglich ist. Damit kann die Biegefestigkeit über den gesamten Umfang des Knochens ermittelt werden. Die dabei gewonnenen Kennwerte werden in einer FEM-Simulation des Heilungsverhaltens von Knochenbrüchen verwendet.
Schaf
Rind1

Auswertung mechanischer Eigenschaften (Druck- bzw. Kriechfestigkeit) von “Scaffolds” im “Tissue Engineering”

Forschungen an Biomaterialien erfordern, dass die Prüfumgebung weitestgehend den tatsächlichen Gegebenheiten entspricht. Daher wird in diesem Bereich vorzugsweise in Mediumbehältern oder kompletten sogenannten Brutschränken geprüft. Bei dieser Anwendung werden zum Beispiel Zellen aus dem Knochenmark auf ein Trägermaterial aufgebracht und in einer Nährflüssigkeit unter zyklischer, mechanischer Stimulation kultiviert.

Dabei ist eine Umgebungstemperatur von 37 °C, eine Luftfeuchte von 100 % und eine zyklische Beanspruchung (Zwick Prüfmaschine mit elektromechanischem Prüfzylinder) unter zum Teil sehr geringen Kräften erforderlich. Über einen Stempel, welcher von oben in den Brutschrank integriert ist, wird die Kraft auf die Probe gebracht. Die in Nährflüssigkeit getränkten Proben werden mit CO2 oder N2 umspült (5 - 8 %), um den PH Wert einzustellen. Die Dehnungen liegen zwischen 30 und 100 μm.

Für diese Prüfung von Knochenersatzmaterialien werden mit Knochenzellen besiedelte Scaffolds durch zyklische Belastung bei Dehnungen größer als =1 µm in-vitro stimuliert. Diese Knochenersatzsubstrate werden zur Förderung der Bruchheilung oder zum Gewebe- und Knochenzellenwachstum auf Implantaten eingesetzt. Damit entfällt die Entnahme von körpereigenem Knochenmaterial aus anderen Bereichen des Patientenskeletts. 
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