Ermittlung mechanischer Kennwerte mittels
Indentation
Michael Seidenstücker
(Dipl.-Ing.)
24.11.2015
Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für
Biomaterialien
12. – 14. November 2015 in Freiburg
Einleitung Indentation
24.11.2015
• Indentationsverfahren sind gängige Praxis in der
Materialprüfung:
Härte, Mikro- und Nanohärteprüfung
• zur Untersuchung von Weichgeweben wie Knorpel
angewendet
Quelle: www.zwick.de/de/aktuelles/news-detail/article/neue-modelle-fuer-die-mikrohaertepruefung.html
https://www.hysitron.com/products-services/standalone-instruments/ti-950-triboindenter.html
Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Einleitung Mach-1 Prüfmaschine
24.11.2015
Quelle: www.biomomentum.com/en/Mach-1.html
Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
• V500css mikromechanisches
Testsystem
• Seit 1999 kontinuierlich
weiterentwickelt
• 3D Oberflächenmapping
• Mehrachsen Messsystem für
Gewebe und weiche Materialien
• Modularer Aufbau und damit
vielseitig einsetzbar
Anwendungsbeispiele Mach-1
24.11.2015
Quelle: www.biomomentum.com/en/Mach-1.html
Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Indentation an
Gelenkknorpel
Unconfined
Compression
Mechanische
Stimulation
Zugversuche
Anwendungsbeispiele Mach-1
24.11.2015
Quelle: Lavoie et al. (2014) Mapping Biomechanical Properties of Mice Articular Surfaces Using
Indentation: Preliminary Results. Poster ID: P-Th-183.
Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Automatische Kartierung der Oberfläche mittels Indentation
• Gitternetz über Probe gelegt
• Messpunkte automatisch angefahren und Indentation durchgeführt
Automatische Kartierung der Knorpeldicke
• Identische Positionen der Indentationsprüfung
Tibia Plateau (links) Maus
Methode Automatische Kartierung der Oberfläche mittels Indentation
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Quelle: Sim, S. et al. (2013) Evaluation of a novel technique to map the mechanical properties of an entire
articular surface in indentation.
• Sphärische Indenter
• Multiaxiale Kraftmessdose – Fx, Fy und Fz zur Bestimmung der Normalkraft
• Bestimmung der Oberflächenorientierung an der vordefinierten Position,
sowie 4 umgebenden Punkten
Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
• Mittels Kanüle
• Unter Verwendung des gleichen vordefinierten Rasters
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
Forc
e [
N]
Displacement [mm]
Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Knorpel-
oberfläche
Knochen
Abstand
Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Knorpeldicke = vertikale
Distanz x cos (Oberflächen Orientierung)
Methode Automatische Kartierung der Oberfläche mittels Indentation
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Instantan Modul (MPa)
Elastic Model
in der
Indentation
(Hayes, 1972)
• Rohdaten
• Elastic Model Fit
Unter
Verwendung der
ermittelten
Knorpeldicke
Methode Oberflächenkartierung
24.11.2015
Probe
Kamera (1280x960 pixel)
Positionsraster wird überlagert
Längeneiheiten werden konvertiert
Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Automatische Messung
Ergebnisse Knorpeldicke
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
mm
Ergebnisse
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
mm Mittlere Knorpeldicke:
2,36 ± 0,51 mm
4,12 ± 0,48 mm
MPa
Messergebnisse
Mittlere E-Moduln:
3,99 ± 4,01 MPa
1,09 ± 1,52 MPa
Ergebnisse Knorpeldicke
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Quelle: Sim, S. et al. (2013) Evaluation of a novel technique to map the mechanical properties of an entire
articular surface in indentation.
mm mm
24.11.2015
Ergebnisse Moduln
Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Quelle: Sim, S. et al. (2013) Evaluation of a novel technique to map the mechanical properties of an entire
articular surface in indentation.
MPa MPa
Zusammenfassung
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
• ca. 50 Messpunkte
• ca. 1 Minute pro Indentation
• ca. 45 Sekunden pro Dickenmessung
• relativ einfach automatische Kartierungen von Weichgeweben mittels Mach-1
• Ergebnisse korrelieren gut mit der Literatur
Ausblick Histologie?
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Histologische Untersuchungen:
• Defektstelle (wahrscheinlich gar kein Knorpel)
• Bereich Abdeckung Meniskus
• Bereich Kondylen
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit