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Fragestellung: Die detaillierte biomechanische Charakterisierung von nativem Knorpelgewebe ist von zunehmender klinischer Bedeutung, da nur so die Qualität und zukünftige Optimierung von Tissue-engineertem Knorpelersatzmaterial evaluiert werden kann. Ein wichtiger Parameter ist dabei der präzise Erhalt der ortabhängigen Knorpeldicke. Nichtinvasive, ultraschallbasierte Messmethoden stellen einen Lösungsansatz dar (Töyräs 2003, Jurvelin 1995), aber nachteilig ist, dass die Schallgeschwindigkeit für jeden Probekörper individuell ist. Dieser Unterschied kann über die Eindringtiefe eines orthograd zur Oberfläche platzierten Ultraschall(US)-Prüfkopfs errechnet werden (Suh 2001). Bisher erfolgen die Messungen statisch und manuell. Ziel der vorliegenden Studie ist es, eine automatisierte Lösung zur Messung der Knorpeldicke an Knorpel-Knochenzylindern zu etablieren. Dadurch können neue Erkenntnisse zum ortsabhängigen Aufbau von Knorpel nichtinvasiv und zeiteffizient gewonnen werden.

Methodik: Als Proben wurden bovine Knorpel-Knochenzylinder (n=5) aus der medialen Femurkondyle (d = 10 mm, h = 8 mm) verwendet und in ein axiales Prüfsystem eingesetzt (ein Einfrierzyklus, Messung bei Raumtemperatur). Für die Durchführung der Messungen wurde ein US-Prüfkopf (Typ V2325, Olympus Hamburg/Deutschland) mit einer Vorlaufstrecke von 5 mm, die auch mechanischer Indentor ist, verwendet (f = 15 MHz, d = 2,5 mm, Abbildung 1 [Abb. 1]). Nach Anfahren einer Last von 20 kPa und 15-minütiger Relaxation des Gewebes wurde eine erste US-Messung ausgelöst. Anschließend folgte eine Stauchung um 0,1 mm mit ebenfalls vollständiger Relaxation für eine zweite US-Laufzeitmessung. Schallaussendung und -empfang wurden mit dem Transceiver US-Key (Lecoeur Electronique, Chuelles/Frankreich) realisiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Mit Hilfe des kombinierten Vorgehens von Belastung und US-Messung kann die Knorpeldicke präzise ermittelt werden. Die Werte der Schallgeschwindigkeit c des bovinen Knorpels wurden über den Zusammenhang c=2*Δ s/(t1-t2) berechnet und decken sich mit den Literaturwerten von 1602 m/s (Saarakkala 2004). Eingesetzt in die Formel wurden individuelle Knorpeldicken zwischen 1,05 und 2,32 mm gemessen (Tabelle 1 [Tab. 1]). Mit der nichtinvasiven Messmethode ist es nun möglich, erweiterte biomechanische Evaluationen durchzuführen, wie z.B. eine topographische Knorpeldickenanalyse der gesamten Kniegelenkfläche oder US-Laufzeitbestimmungen während der Erholungsphase nach Indentation, was sowohl für nativen Knorpel als auch zur Beurteilung und Optimierung von Knorpelersatzmaterialien zukünftig klinische Relevanz erlangen kann.