Finite-Elemente-Modellierung zur Untersuchung von Risikofaktoren der periprothetischen Fraktur am endoprothetisch versorgten Hüftgelenk

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Daniel Klüß; Professorin Dr.-Ing. Manuela Sander
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 385973984

In der Hüftendoprothetik stellt die periprothetische Fraktur eine schwere Komplikation dar, welche häufig nur mit einem Implantatwechsel oder einer komplexen osteosynthetischen Versorgung behandelt werden kann.Um ein besseres Verständnis für die Entstehung periprothetischer Frakturen und somit wirksame Maßnahmen zur Prävention zu entwickeln, sind Einflussfaktoren auf die periprothetische Fraktur am Hüftgelenk zu identifizieren und biomechanisch zu analysieren.Bisherige Forschungsvorhaben zu Knochenbrüchen unter ingenieurwissenschaftlichen Gesichtspunkten konzentrieren sich auf Frakturrisikoanalysen am Femur ohne Implantatversorgung. Dabei wurden potenzielle Rissinitiierungsorte bzw. Versagensmuster bei bestimmten Belastungszuständen durch FE-Analysen ermittelt und in wenigen Fällen experimentell verifiziert. Die Materialparameter waren dabei im Wesentlichen von der Knochendichte abhängig. Zudem wurde für die unterschiedlichen Arten von Knochengewebe häufig lediglich isotropes und elastisch - ideal plastisches Materialverhalten angenommen und damit die Anisotropie bzw. der Verdichtungsprozess der Spongiosa vernachlässigt. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Beschreibung von periprothetischen Femurfrakturen durch validierte FE-Modelle. In einem neuen Ansatz werden für die numerischen Untersuchungen vier Methoden zur Materialmodellierung erforscht. Dazu gehört die Abbildung des Materials durch elastisch - ideal plastisches Verhalten, wobei u.a. die Materialparameter in Abhängigkeit der HU-Werte für jeden Knoten im FE-Modell definiert werden. Des Weiteren wird das Crushable Foam Modell sowie das Materialmodell nach Hosseini et al. erprobt, um den Verdichtungsprozess und die Anisotropie des Knochengewebes wiedergeben zu können.Für die Validierung werden die Hüftendoprothesen-Stiele zementfrei in humane Oberschenkelknochen implantiert und die Lastfälle Sturz auf die Hüfte sowie Stolpern experimentell untersucht. Vor Durchführung der Experimente wird die Dichte sowie die Geometrie der Knochen durch CT-Scans bestimmt und diese Daten in FE-Modelle überführt. Um nicht nur potenzielle Rissinitiierungsorte zu bestimmen, werden Versagenskriterien entwickelt und implementiert, mit dem Ziel, Rissverläufe bzw. Versagensmuster realitätsnah abzubilden. Für die Identifikation der Kriterien zur Abbildung des Bruchversagens des Knochengewebes werden eigene experimentelle Untersuchungen an humanen Knochenproben bei unterschiedlichen Spannungszuständen durchgeführt.Damit soll eine detaillierte Analyse und Bewertung der Einflussfaktoren periprothetischer Frakturen wie Operationstechnik, Implantatdesign und patientenspezifische Faktoren ermöglicht werden, um die Frakturrisiken identifizieren und senken zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen