gms | German Medical Science

Fragestellung: Die Verwendung einer Femurkomponente aus Keramik verspricht im Vergleich zu metallischen Komponenten verbesserte tribologische und allergologische Eigenschaften. Die Gefahr einer Schädigung durch Spannungsspitzen muss bei keramischen Implantatkomponenten besonders beachtet werden. Mit Hilfe einer Finite-Elemente-Analyse wurde die Kraftübertragung vom Femur auf die Endoprothese bei unterschiedlicher Einbaulage und Knochenzementverteilung untersucht.

Methodik: Um qualitative Aussagen über den Einfluss der Zementschichtdicke und der Zementverteilung zu gewinnen, wurden vereinfachte 2-D FE-Modelle erstellt. Parallel wurden 3-D Analysen unter Einbeziehung realer Knochenmorphologien durchgeführt, um quantitativ die Spannungsverteilung in der keramischen Femurkomponente, im femoralen Knochen und im Zement zu berechnen. Die Zementschichtdicken wurden von 0,5mm bis 2,0mm variiert. Zusätzlich wurde im 2-D das Femur jeweils um 1°, 2° und 3° nach posterior und 1° und 2° nach anterior um die Kniegelenkachse gedreht, wodurch eine ungleichmäßige Zementschichtverteilung erzeugt wurde (Worst-Case). In Abhängigkeit von verschiedenen Flexionswinkeln wurde die Kraft distal über ausgewählte Bereiche der Femurkomponente eingeleitet, während das proximale Femurende fest eingespannt war. Im 2-D betrug die angenommene Gesamtkraft 4000N, im 3-D medial 1362N und lateral 664,5N. Im 2-D wurden alle Materialien als homogene und isotrope Werkstoffe mit linear-elastischem Verhalten festgelegt. Im 3-D wurden für die geometrische Modellierung des Femur CT-Daten verwendet, über die auch die Zuweisung der Knochen-Materialkennwerte auf das FE-Netz erfolgte. Alle Berechnungen wurden nichtlinear durchgeführt und die Spannungsverteilung anhand von Knotenpfaden ausgewertet.

Ergebnisse: Die 2-D Untersuchungen zeigten, dass die Belastung durch den Knochen ein Aufspreizen der Endoprothese bewirkt. An kritischen Stellen traten Spannungssprünge besonders im Bereich der Krafteinleitung auf. Bei bestimmten Flexionswinkeln (30°, 60°) traten an den kritischen Stellen die größten Spannungen auf. Ein Anstieg der Spannung in der Endoprothese und gleichzeitig eine Entlastung des Knochens war bei Zunahme der Zementschichtdicke an den kritischen Stellen des Implantats zu beobachten. Dies erklärt sich durch die geringeren Steifigkeitsunterschiede im Interface Knochen/Zement. Bei dem Worst-Case-Scenario sank die maximale Spannung bei stärkerer Verdrehung des Knochens nach posterior, während sie bei stärkerer Verdrehung nach anterior stieg.

Schlussfolgerung: Mit den entwickelten 2-D Modellen können vergleichende Aussagen zu den Spannungsverteilungen in der Endoprothese, dem Knochenzement und dem Femur unter verschiedenen Lastfällen getroffen werden. Mit Hilfe der 3-D Modelle können für die untersuchten Komponenten konkrete Spannungsverteilungen ermittelt werden. Nachfolgend sollen mittels der 3-D Modelle Worst-Case-Szenarien wie Stolpern oder Zustände bei Implantatlockerung simuliert werden.