Ermittlung mechanischer Kennwerte mittels Indentation · Ermittlung mechanischer Kennwerte mittels...
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Ermittlung mechanischer Kennwerte mittels
Indentation
Michael Seidenstücker
(Dipl.-Ing.)
24.11.2015
Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für
Biomaterialien
12. – 14. November 2015 in Freiburg
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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
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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
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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
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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
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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
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Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
• Mittels Kanüle
• Unter Verwendung des gleichen vordefinierten Rasters
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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
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Methode Automatische Kartierung der Knorpeldicke
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Knorpeldicke = vertikale
Distanz x cos (Oberflächen Orientierung)
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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
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Methode Oberflächenkartierung
24.11.2015
Probe
Kamera (1280x960 pixel)
Positionsraster wird überlagert
Längeneiheiten werden konvertiert
Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Automatische Messung
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Ergebnisse Knorpeldicke
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
mm
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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
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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
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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
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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
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Ausblick Histologie?
24.11.2015 Hintergrund Methode Ergebnisse Zusammenfassung Ende
Histologische Untersuchungen:
• Defektstelle (wahrscheinlich gar kein Knorpel)
• Bereich Abdeckung Meniskus
• Bereich Kondylen
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit