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Verändert in pin-on-plate Untersuchungen eine Neigung der Plate, senkrecht zur Reibbahn, die Reibungszahl? Validierung der Algorithmen zur Berechnung der Reibungszahl und des Neigungswinkels und erste Anwendung an Gelenkknorpel
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Autoren
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Andy Schütte
- Medizinische Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg, Sektion experimentelle Orthopädie und Unfallchirurgie, Mannheim, Germany
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Helmut Behler
- Hochschule Mannheim, Fakultät für Verfahrens- und Chemietechnik, Mannheim, Germany
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Svetlana Hetjens
- Medizinische Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg, Medizinische Statistik, Mannheim, Germany
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Gregor Reisig
- Medizinische Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg, Sektion experimentelle Orthopädie und Unfallchirurgie, Mannheim, Germany
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Barbara Schneider-Wald
- Medizinische Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg, Sektion experimentelle Orthopädie und Unfallchirurgie, Mannheim, Germany
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Markus Schwarz
- Medizinische Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg, Sektion experimentelle Orthopädie und Unfallchirurgie, Mannheim, Germany
| Veröffentlicht: | 6. November 2018 |
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Gliederung
Text
Fragestellung: Tribologische Untersuchungen von Knorpel gegen Knorpel (KK) sind erschwert wegen der unebenen Oberfläche. Die Neigung der Oberfläche kann dabei bei einem pin-on-plate Versuch in Richtung der Reibbahn liegen oder quer dazu. Wir stellten die Hypothese auf, dass eine Neigung der plate quer zur Reibbahn die Reibungszahl (RZ) beeinflussen kann.
Ziel der Arbeit war die Erstellung und Validierung von Algorithmen zur Berechnung der RZ und des Neigungswinkels (NW), wenn bei einem Reibversuch der Untergrund eine Neigung senkrecht zur Reibbahn aufweist, um sie dann an KK anzuwenden.
Methodik: Die Formeln wurden in pin-on-plate Versuchen (v = 4 mm/s; Anpresskraft 4,9 N; 3 Zyklen) am 2. Zyklus validiert. Es rieb ein sphärischer Pin (Ø 12,7 mm) aus Polyoxymethylen (POM) gegen polierten Edelstahl als Plate (ES) in vollentsalztem Wasser. Die Plate wurde horizontal ausgerichtet und 8 Reibbahnen in unterschiedliche Richtungen abgefahren. Dann wurde sie um 10° geneigt und in 8 verschiedenen Richtungen an derselben Bahn so gerieben, dass der Pin in gleicher Höhe blieb. Es ergaben sich 13 auszuwertende Strecken für die Plate in horizontaler und 8 in geneigter Ausrichtung.
Für die KK Untersuchungen wurde porciner Knorpel (aus Tieren vom Schlachthof) aus der lateralen und medialen Femurkondyle (Pin), sowie den korrespondierenden Tibiaplateaus (Plate) eines Knies verwendet. Je Kompartiment wurden 4 Versuche in unterschiedlichen Richtungen mit PBS als Schmierflüssigkeit durchgeführt. Für die Auswertung wurden horizontale Abschnitte entlang der Reibbahn identifiziert.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Algorithmen zur Bestimmung der RZ und der NW konnten validiert werden, nachdem eine RZ für POM gegen ES von 0,196 ± 0,019 errechnet wurde, die im Bereich der bekannten RZ für diese Paarung liegt und ein NW (soll = 0°) für die horizontale Ausrichtung der Plate mit 0,003° ± 0,951° ermittelt wurde (p = 0,9853). Die unterschiedlichen Bewegungsrichtungen der oszillierenden Bewegung hatten keinen Einfluss auf die RZ (p = 0,6495). Die aus den Versuchen mit horizontaler Plate identifizierte Referenzbahn für die weiteren Versuche hatte eine RZ von 0,205.
Für die geneigte Plate wurde ein NW von 10,88° ± 1,43° errechnet (soll: 10,07° ± 0,11°). Der signifikante Unterschied von 0,82° (p = 0,0426) sollte aber mit 8% Abweichung nicht relevant sein.
Die RZ war bei geneigter Plate (0,119 ± 0,031) um 39 % niedriger, als der Sollwert von 0,205 in horizontaler Ausrichtung (p < 0,0001).
Bei der Anwendung der Algorithmen bei KK konnten bei 4 von 8 Versuchen Distanzen von 0,48 mm - 1,47 mm mit horizontalem Verlauf in Fahrtrichtung ermittelt werden. In diesen Bereichen wurden RZ von 0,039 ± 0,036 und NW von 5,32° bis 19,26° ermittelt. 4 Versuche konnten nicht ausgewertet werden.
Die Ergebnisse bestätigen unsere Hypothese, dass eine Neigung der Plate senkrecht zur Reibbahn die Berechnung der RZ beeinflussen kann, möglicherweise auch die des Knorpels.
Danksagung: Förderung: BMBF: FK 1315577G; Med. Fak. Mannheim der Universität Heidelberg.
