Kontinuumsmechanische Beschreibung und transiente, numerische FEM Simulation eines hyperelastischen, zweiphasigen Materials unter Berücksichtigung von Osmose und Schädigung mit Anwendungsbeispielen für den Gelenkknorpel

Gelenkknorpelerkrankungen sind der zweithäufigste Grund für einen operativen Eingriff in Industrieländern. Da es sich bei den meisten Gelenkknorpelerkrankungen um Alterserkrankungen handelt, werden diese aufgrund des stetig steigenden Durchschnittsalters in den Industrieländern in ihrer medizinischen Relevanz als Massenerkrankung weiter steigen.
Gelenkknorpel ist Teil des Bindegewebes, wobei seine originäre Aufgabe darin besteht, den direkten Kontakt zweier Knochen in einem Gelenk zu verhindern, sowie gemeinsam mit der Gelenkschmiere ein möglichst reibungsfreies Gleiten im Gelenk zu ermöglichen. Wesentliche Bestandteile des Gelenkknorpels sind Eiweißketten, die eine Gewebematrix bilden und durch ein Kollagenfasernetzwerk verstärkt werden. Wie die meisten Biomaterialien verfügt auch Gelenkknorpel über einen erheblichen Flüssigkeitsanteil von bis zu 50%. Durch die Entwicklungen in der Medizintechnik im Bereich der Bildgebungsverfahren und Bilderkennungsverfahren ergeben sich neue Möglichkeiten im Bereich der Diagnose und der Therapie von Erkrankungen aller Art, so auch Gelenkknorpel. Detaillierte und individuelle Informationen für das Kollagenfasernetzwerk, Durchfussfähigkeit und die Geometrie werden verfügbar. Patientenspezifsche Daten könnten zukünftig in Diagnose und den Behandlungsmöglichkeit mit einfließen.
In dieser Arbeit wird ein thermodynamisch konsistentes, kontinuumsmechanisches Modell für Gelenkknorpel beschrieben, dass in der Lage ist, patientenspezifische Daten zu nutzen. Zentrale Aspekte sind dabei die Beschreibung des Kollagenfasernetzwerks sowie seinen Einfuss auf mechanische Größen und das Fließverhalten der Gewebefussigkeiten, Osmose und Schädigungsverhalten. Verschiedene Simulationsergebnisse zu diese mechanischen Eigenschaften werden vorgestellt.