D5 Charakterisierung biologischer Materialien

Thema

Die Charakterisierung biologischer Materialien nutzt Festkörpermechanik und Rheologie, um die mechanischen Eigenschaften der Gewebe des Bewegungsapparates – Knochen, Knorpel, Sehnen, Bänder, Muskeln und Faszien – zu bestimmen. Diese Gewebe bilden die Strukturmaterialien, die die Bewegung ermöglichen. Im Gegensatz zu technischen Werkstoffen, die in der Regel homogen sind, sind diese biologischen Gewebe heterogen und verhalten sich je nach Richtung der einwirkenden Kraft unterschiedlich. Sie sind zudem viskoelastisch, und ihr mechanisches Verhalten hängt stark von ihrer Belastungsgeschichte, ihrem Hydratationsgrad und ihrer Temperatur ab.

Die mechanischen Eigenschaften dieser Gewebe werden durch Zug- und Druckversuche in einer Richtung ermittelt. Diese Versuche liefern eine Kurve, die die einwirkende Kraft mit der resultierenden Verformung in Beziehung setzt. Aus dieser Kurve werden die Steifigkeit des Gewebes in seinem geraden Abschnitt und seine Bruchzähigkeit – also die maximale Spannung, die das Gewebe vor dem Bruch aushält – abgeleitet. Im Weichgewebe zeigt diese Kurve zunächst einen Abschnitt geringer Steifigkeit, in dem sich die noch nicht vollständig ausgerichteten Kollagenfasern allmählich in Richtung der Belastung ausrichten. Erst nach der Ausrichtung geht das Gewebe in den geraden Abschnitt hoher Steifigkeit über.

Die eingangs erwähnte viskoelastische Natur dieser Gewebe wird mit zwei komplementären Testarten quantifiziert: Im Relaxationstest wird die Gewebeverformung konstant gehalten, und die zur Aufrechterhaltung dieser Verformung erforderliche Kraft nimmt allmählich auf einen Gleichgewichtswert ab. Im Kriechtest hingegen wird die aufgebrachte Last konstant gehalten, und die Gewebeverformung nimmt mit der Zeit kontinuierlich zu. Ein Modell, das eine rein elastische Komponente mit einer Komponente kombiniert, welche Elastizität und Viskosität vereint, beschreibt beide Verhaltensweisen mit nur drei Parametern: der momentanen Steifigkeit des Gewebes, seiner Gleichgewichtssteifigkeit nach der Entspannung und der charakteristischen Zeit für den Übergang von der einen zur anderen Steifigkeit.

Wie im vorherigen mechanischen Test erwähnt, befinden sich innerhalb jeder Kollagenfaser, die sich unter Belastung ausrichtet, einzelne Kollagenfibrillen, die mithilfe eines Mikroskops, das die Kontaktkraft seiner eigenen Spitze messen kann, im Nanobereich separat charakterisiert werden können. Drückt man diese Spitze gegen einzelne Kollagenfibrillen, ergeben sich Steifigkeitswerte zwischen einem und fünf Gigapascal, die deutlich über der Steifigkeit liegen, die dasselbe Kollagen im Gesamtgewebe aufweist.

Im Falle von Knochen wird die strukturelle Steifigkeit nicht direkt durch einen mechanischen Test gemessen, sondern anhand des Mineralgehalts abgeschätzt. Die Knochendensitometrie misst, wie viel Mineral der Knochen enthält und wie dieses Mineral im Knochen verteilt ist. Diese Mineraldichte ist über ein empirisch abgeleitetes Potenzverhältnis mit dem Elastizitätsmodul des Knochens verknüpft, sodass Knochen mit höherer Mineraldichte eine höhere strukturelle Steifigkeit aufweisen.

Das erwartete Verhalten bei dieser Charakterisierung biologischer Materialien ist, dass der mechanische Abbau von Sehnen und Knorpel proportional zum Verhältnis von Leistung zu Gewicht mit der Anzahl der erlittenen Lastzyklen verläuft: Anfangs nimmt die Steifigkeit langsam ab, der Rückgang beschleunigt sich jedoch mit zunehmender Zyklenzahl. Sobald die Abnahme des Elastizitätsmoduls 30 Prozent des ursprünglichen Wertes des gesunden Gewebes übersteigt, ist die Reduktion nicht mehr geringfügig, sondern klinisch relevant.

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