Ermittlung mechanischer Kennwerte mittels

Indentation

Michael Seidenstücker

(Dipl.-Ing.)

24.11.2015

Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für

Biomaterialien

12. – 14. November 2015 in Freiburg

Einleitung Indentation

24.11.2015

• Indentationsverfahren sind gängige Praxis in der

Materialprüfung:

Härte, Mikro- und Nanohärteprüfung

• zur Untersuchung von Weichgeweben wie Knorpel

angewendet

Quelle: www.zwick.de/de/aktuelles/news-detail/article/neue-modelle-fuer-die-mikrohaertepruefung.html

https://www.hysitron.com/products-services/standalone-instruments/ti-950-triboindenter.html

Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Einleitung Mach-1 Prüfmaschine

24.11.2015

Quelle: www.biomomentum.com/en/Mach-1.html

Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

• V500css mikromechanisches

Testsystem

• Seit 1999 kontinuierlich

weiterentwickelt

• 3D Oberflächenmapping

• Mehrachsen Messsystem für

Gewebe und weiche Materialien

• Modularer Aufbau und damit

vielseitig einsetzbar

Anwendungsbeispiele Mach-1

24.11.2015

Quelle: www.biomomentum.com/en/Mach-1.html

Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Indentation an

Gelenkknorpel

Unconfined

Compression

Mechanische

Stimulation

Zugversuche

Anwendungsbeispiele Mach-1

24.11.2015

Quelle: Lavoie et al. (2014) Mapping Biomechanical Properties of Mice Articular Surfaces Using

Indentation: Preliminary Results. Poster ID: P-Th-183.

Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Automatische Kartierung der Oberfläche mittels Indentation

• Gitternetz über Probe gelegt

• Messpunkte automatisch angefahren und Indentation durchgeführt

Automatische Kartierung der Knorpeldicke

• Identische Positionen der Indentationsprüfung

Tibia Plateau (links) Maus

Methode Automatische Kartierung der Oberfläche mittels Indentation

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Quelle: Sim, S. et al. (2013) Evaluation of a novel technique to map the mechanical properties of an entire

articular surface in indentation.

• Sphärische Indenter

• Multiaxiale Kraftmessdose – Fx, Fy und Fz zur Bestimmung der Normalkraft

• Bestimmung der Oberflächenorientierung an der vordefinierten Position,

sowie 4 umgebenden Punkten

Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

• Mittels Kanüle

• Unter Verwendung des gleichen vordefinierten Rasters

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

Forc

e [

N]

Displacement [mm]

Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Knorpel-

oberfläche

Knochen

Abstand

Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Knorpeldicke = vertikale

Distanz x cos (Oberflächen Orientierung)

Methode Automatische Kartierung der Oberfläche mittels Indentation

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Instantan Modul (MPa)

Elastic Model

in der

Indentation

(Hayes, 1972)

• Rohdaten

• Elastic Model Fit

Unter

Verwendung der

ermittelten

Knorpeldicke

Methode Oberflächenkartierung

24.11.2015

Probe

Kamera (1280x960 pixel)

Positionsraster wird überlagert

Längeneiheiten werden konvertiert

Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Automatische Messung

Ergebnisse Knorpeldicke

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

mm

Ergebnisse

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

mm Mittlere Knorpeldicke:

2,36 ± 0,51 mm

4,12 ± 0,48 mm

MPa

Messergebnisse

Mittlere E-Moduln:

3,99 ± 4,01 MPa

1,09 ± 1,52 MPa

Ergebnisse Knorpeldicke

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Quelle: Sim, S. et al. (2013) Evaluation of a novel technique to map the mechanical properties of an entire

articular surface in indentation.

mm mm

24.11.2015

Ergebnisse Moduln

Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Quelle: Sim, S. et al. (2013) Evaluation of a novel technique to map the mechanical properties of an entire

articular surface in indentation.

MPa MPa

Zusammenfassung

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

• ca. 50 Messpunkte

• ca. 1 Minute pro Indentation

• ca. 45 Sekunden pro Dickenmessung

• relativ einfach automatische Kartierungen von Weichgeweben mittels Mach-1

• Ergebnisse korrelieren gut mit der Literatur

Ausblick Histologie?

24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende

Histologische Untersuchungen:

• Defektstelle (wahrscheinlich gar kein Knorpel)

• Bereich Abdeckung Meniskus

• Bereich Kondylen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit