Design and development of a biaxial material test device for fracture mechanical investigation of sheep tibiae

Abstract

Die vorliegende Masterarbeit hat biomechanische Tests von bioresorbieren Implantaten in Schienbeinen (Tibia) des Schafs zum Thema.<br />Die Tibiae werden dazu von Ärzten osteotomiert und mit elastisch stabilen intramedullären Nägeln (ESIN) aus den neu entwickelten Materialien, beziehungsweise zu Vergleichszwecken auch aus herkömmlichem Titan, stabilisiert. In weiterer Folge werden die Tibiae zu unterschiedlichen Stadien der Heilung aus dem Schaf entnommen und geprüft.<br />Es wurde eine pneumatische Prüfeinrichtung entwickelt, die es erlaubt eine möglichst realistische Belastungssituation des Knochens und damit auch des Implantates zu erhalten. Sowohl Druckkraft als auch Drehmoment können gleichzeitig und zyklisch aufgebracht werden. Ein eigens konstruierter X-Y-Tisch und ein Kardangelenk stellen nötige translatorische und rotatorische Freiheitsgrade zur Verfügung um natürlich nicht auftretende Querkraftbelastungen zu vermeiden. Gemessen und aufgezeichnet können mit Hilfe eines Computerprogramms die Druckkraft, die vertikale Verschiebung, das Drehmoment und der Verdrehwinkel werden.<br />Die Prüfeinrichtung gestattet es zum einen die Steifigkeit des Knochen-Implantat-Verbunds in Hinblick auf Druck- und Torsionsbelastung aus quasi-statischen Tests zu ermitteln. Sowohl zerstörungsfreie Prüfung als auch zerstörende sind möglich. Den eigentlichen Hauptteil der biomechanischen Untersuchungen stellen allerdings Dauerschwingversuche dar, in denen die Gebrauchstauglichkeit der Implantate mit Belastungen, die während des Heilungsverlaufes auftreten, geprüft wird. Generell kann mit der Prüfeinrichtung Dauerfestigkeits- und Kriechverhalten, sowie Hystereseenergie und charakteristische Energiedissipation an Knochen-Implantat-Grenzflächen ermittelt werden. Weiters kann dann noch die verbleibende Steifigkeit und dauerhafte Verformung des Knochens ausgewertet werden.<br />Mittels der Steuerungssoftware wird die Prüfung bei Erreichen einer festgelegten Anzahl von 5000 Zyklen oder bei einer Verdrehung der Probe von mehr als 30°, und damit einer Gebrauchsuntauglichkeit, beendet. Die Prüfeinrichtung kann Druckkräfte von 20N bis 5000N und Drehmomente von 0.1Nm bis 30Nm aufbringen und Dauerschwingversuche bei einer Frequenz von bis zu 1Hz durchführen.<br />Bei ersten Testreihen mit Kadaverknochen, an denen typische Schrägfrakturen gesetzt und dann mittels Titannägel stabilisiert wurden, konnten erfolgreich die gewünschten Ergebnisse erzielt werden.<br />

In this master thesis, the biomechanical properties of implants made from novel bioresorbable materials are investigated. The implants examined here are elastically stabilized intermedullary nails (ESIN) and are used to stabilize fractured sheep tibiae. To investigate the biomechanical properties of implants, a material test device was designed and developed. The test device allowed torsion to be applied pneumatically, and could coupled with a compressive force. This enables simultaneous torsional and pressure loading. This kind of loading models the natural load situation that occurs when the sheep performs a step.<br />A newly developed x-y-table and Cardan joint provide necessary degrees of freedom to avoid the occurrence of unnatural transverse forces in the bone specimen. A computer program is used to control the test device and to record the measurement data of the load cell, the displacement of the transducer, the angle of rotation detector, and the torque sensor.<br />One of the benefits of the test device is that it allows the conduction of quasi-static tests to determine elastic properties of the bone specimen. Another benefit is that it may be used to obtain the fatigue and creep data, the hysteresis energies and the characterizing energy dissipation during fatigue loading of bone-interfaces. Furthermore can be obtained the resulting stiffness and permanent deformation data of the dynamic fatigue tests. The stopping criteria of the tests are 5000 performed load cycles and an angle of rotation of more than 30°. Generally, the test device is able to provide a compression force of 20N to 5000N, and a torque of 0.1Nm to 30Nm, with a maximum frequency of 1Hz.<br />For demonstration of the machine's functionality, the results of some quasi-static and also dynamic fatigue tests are presented.