Rechnerische und experimentelle Untersuchung der biomechanischen Auswirkungen von Implantaten auf die Funktion von Spinalsegmenten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Düster
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560765376

Wirbelsäulendeformitäten erfordern häufig einen chirurgischen Eingriff mit Implantaten, um die Ausrichtung und Stabilität wiederherzustellen. Aufgrund der Komplexität dieser Eingriffe und der sich daraus ergebenden biomechanischen Herausforderungen kommt es häufig zu proximalem junktionalem Versagen (PJF), einschließlich proximaler junktionaler Kyphose (PJK) und Frakturen. Trotz umfangreicher Untersuchungen der Risikofaktoren und der zunehmenden Anwendung von intraoperativen Prophylaxetechniken zeigen Studien eine hohe Inzidenz von PJK, wobei 31,3% innerhalb von zwei Jahren revidiert werden. Unser Ziel ist es, die jüngsten Fortschritte in der Finite Cell Methode (FCM), der Finite Elemente Analyse (FEA) und der Phasenfeldmethode (PFM) zu nutzen, um das biomechanische Verhalten von mit Implantaten behandelten Wirbelsäulendeformitäten zu bewerten und durch Experimente zu validieren. Wir werden detaillierte 3D-Modelle von einzelnen Wirbeln, funktionellen Wirbelsäuleneinheiten (FSU), Wirbelsäulensegmenten und Implantatkomponenten wie Stäben und Schrauben anhand von Daten aus CT- und Mikro-CT-Scans erstellen. Die Makro-FEA wird zur Analyse des gesamten biomechanischen Verhaltens eingesetzt, während die FCM hochauflösende Simulationsergebnisse auf Lamellenebene liefert, wobei der Schwerpunkt auf den Wechselwirkungen zwischen Implantat und Lamellen liegt. Die Makro- und Mikroebene werden durch den Austausch von Daten zwischen FEA und FCM miteinander verbunden. Die durch numerische Homogenisierung von Mikro-CT-Modellen ermittelten inhomogenen und anisotropen Materialeigenschaften der Wirbel werden in die Makro-FEA integriert, um eine genauere Simulation des mechanischen Verhaltens von Wirbeln und FSUs zu ermöglichen. Es wird ein neuartiger Ansatz zur Verknüpfung von Makro- und Mikroanalysen zur Vorhersage potenzieller Wirbelschäden vorgeschlagen. Auf der makroskopischen Skala wird ein FE-Modell mit homogenisierten Materialeigenschaften verwendet, um die FSU und einzelne Wirbel zu analysieren und schadensanfällige Regionen auf der Grundlage von Hauptdehnungskriterien zu identifizieren. Diese Regionen werden weiter mit der FCM, angewendet auf Mikro-CT-Scans, untersucht, und das PFM-Materialmodell auf der Makroskala wird mit FCM-Simulationen kalibriert. Dieser integrierte Mikro-Makro-Ansatz ermöglicht eine detaillierte Bewertung des potenziellen Implantatversagens und des Beginns des Versagens benachbarter Segmente. Die Berechnungsergebnisse werden sowohl durch experimentelle Tests als auch durch klinische Beobachtungen validiert, um eine genaue Simulation der realen Bedingungen zu gewährleisten. Diese umfassende Methode bietet eine solide Basis für die Optimierung der patientenspezifischen präoperativen Planung und der chirurgischen Techniken, was letztlich zu besseren Ergebnissen bei der Behandlung von Wirbelsäulendeformitäten führt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Partnerorganisation: The Israel Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Zohar Yosibash, Ph.D.