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L. Berger:
"Design and development of a biaxial material test device for fracture mechanical investigation of sheep tibiae";
Supervisor: E. Tschegg; Institut für Hochbau und Technologie, 2012; final examination: 2012-04.

In the case of infantile bone fractures, surgical interventions are often necessary to stabilize
the fracture with different osteosynthesis techniques. The aim of surgery here is to stabilize
the fracture as best as possible in order to ensure an optimal healing process. Due to the still
developing growth process in children, it is necessary to remove the implants after successful
healing by surgery. This operation is expensive and hazardous, as well as stress-inducing
and emotionally draining for the child. To reduce the complications of the procedure, the
implants may be made from bioresorbable material, which is the aim of a project named
BRIC (BioResorbable Implants for Children).
The purpose of the bioresorbable implant material is to be dissolved and expulsed throughout
the healing process. The ideal case would be total expulsion of the implant after healing
has completed. Currently available bioresorbable implants are designed for adults and do
not adequately serve the needs of children. However, bioresorbable biopolyesters and magnesium
alloys are possible candidates for bioresorbable implants. In this master thesis, the
biomechanical properties of implants made from these novel 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 may be
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.
The specimens examined are lamb tibia, and include freshly broken bones which are obtained
from a butcher with a 6mm gap sawed in and osteosynthesis inserted, lamb tibia with operationally
induced gaps and osteosynthesis in different stages of healing, and intact bone as a
control. Besides the novel bioresorbable materials, common titanium is used as a reference.
The ends of the tibiae are potted in bone cement to be able to be inserted into the test device.
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.
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, the resulting stiffness and
permanent deformation data of the dynamic fatigue tests may be obtained.
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
5000 N, and a torque of 0.1Nm to 30 Nm, with a maximum frequency of 1 Hz.
For demonstration of the machine´s functionality, the results of some quasi-static and dynamic
fatigue tests are presented.

Knochenbrüche im Kindesalter werden oft chirurgisch behandelt. Ziel des operativen Eingriffes
ist dabei, die Fraktur mittels unterschiedlicher Osteosynthesetechniken so gut wie
möglich zu stabilisieren, um einen optimalen Heilungsverlauf zu gewährleisten. Aufgrund
des noch nicht abgeschlossenen Wachstums ist es derzeit notwendig, die Implantate nach erfolgreicher
Heilung wieder operativ zu entfernen. Um diese zweite Operation, die neben den
Kosten und Risiken auch eine erhebliche Stressbelastung für das Kind darstellt, zu vermeiden,
werden im Rahmen des Laura Bassi Zentrums BRIC (BioResorbable Implants for Children),
bioresorbierbare Materialien entwickelt. Implantate, gefertigt aus diesen Materialien, bauen
sich während des Heilungsprozesses ab und werden vom Körper vollständig ausgeschieden. Im
Idealfall ist bei Eintritt der vollständigen Heilung auch das Implantat zur Gänze abgebaut.
Als Materialien kommen zum einen verschiedene Magnesiumlegierungen und zum anderen
bioresorbierbare Polymere in Frage. Bereits verfügbare bioresorbierbare Implantate wurden
für Erwachsene entwickelt und genügen oft den speziellen Ansprüchen von Kindern nicht.
Die vorliegende Masterarbeit hat biomechanische Tests von derartigen Implantaten in Schienbeinen
(Tibia) des Schafs zum Thema. 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.
Natürlich belastet wird die Tibia des Schafes beim Aufsteigen des Fußes mit einer Druckkraft
und außerdem gleichzeitig mit einem Drehmoment. 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. Die Enden der Tibiae werden in Knochenzement
eingepottet und mittels Grips in die Anlage eingespannt.
Ein eigens konstruierter X-Y-Tisch und ein Kardangelenk stellen nötige translatorische und
rotatorische Freiheitsgrade zur Verfügung, um natürlich nicht auftretende Querkraftbelastungen
zu vermeiden. Der Prüfvorgang wird von einem Computerprogramm gesteuert. Gemessen
und aufgezeichnet können die Druckkraft, die vertikale Verschiebung, das Drehmoment und
der Verdrehwinkel werden.
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 die verbleibende Steifigkeit und
dauerhafte Verformung des Knochens ausgewertet werden.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 1 Hz durchführen.
Bei ersten Testreihen mit Kadaverknochen, an denen typische Schrägfrakturen gesetzt und
dann mittels Titannägel stabilisiert wurden, konnten erfolgreich die gewünschten Ergebnisse
erzielt werden.