¹Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock, Rostock, Deutschland
²Aesculap AG, Research & Development, Tuttlingen, Deutschland

Text

Zielsetzung und Fragestellung: Ziel der präklinischen Testung von Gelenkendoprothesen ist es, Informationen für die Beurteilung der Funktionalität neu entwickelter Implantatdesigns unter verschiedenen und realitätsnahen Testbedingungen zu liefern. Bei Knieendoprothesen (Knie-EP) konzentrieren sich diese Tests üblicherweise auf Bewegungsabläufe unter vereinfachten Last- und Randbedingungen. Auch die Rolle und Komplexität der für die Kinematik und Dynamik des Kniegelenks relevanten Bandstrukturen werden bei präklinischen Tests oft vernachlässigt oder vereinfacht. In der vorliegenden Studie wurden daher in vivo gemessene Belastungs- und Bewegungsdaten von Aktivitäten des täglichen Lebens aus instrumentierten Knie-EP auf einen 6-Freiheitsgrad-Gelenksimulator mit einem virtuellem Bandapparat übertragen. Hierbei wurden die Auswirkungen von Bandresektionen und Weichteilspannungen während verschiedener Bewegungsaktivitäten untersucht.

Material und Methoden: Die Kniegelenkbelastungen basieren auf Daten des „CAMS-Knee Project“, die mithilfe einer instrumentierten ultrakongruenten Knie-EP (INNEX FIXUC, Zimmer Biomet, Winterthur, Schweiz) für ebenes Gehen, Treppenabstieg und Aufstehen ermittelt wurden [1]. Die Lastfälle wurden so angepasst, dass diese mithilfe des 6-Freiheitsgrad-Gelenksimulators (VIVOTM, Advanced Mechanical Technology, Inc., Watertown, MA, USA) auf ein rechtes kreuzbanderhaltendes Design (P.F.C.^® Sigma, DePuy Synthes, Raynham, MA, USA) übertragen werden konnten. Mithilfe des Gelenksimulators wurden zwölf tibiofemorale Bänder virtuell modelliert und in kapsuläre, mediale und laterale Strukturen sowie das hintere Kreuzband (PCL) gruppiert. Insgesamt wurden drei Bandvariationen durch 1) Verdopplung der lateralen Bandsteifigkeiten und 2) Verdopplung der medialen Bandsteifigkeiten und 3) der PCL-Resektion analysiert.

Ergebnisse: Vor allem eine Resektion des PCL führte zu einer Zunahme der anterioren Kräfte bei einem Flexionswinkel von etwa 30 bis 40° für alle Belastungsfälle. Nach der PCL-Resektion bewegt sich die Tibia stärker nach anterior, mit einem Maximum von 3 mm beim Treppenabstieg. Diese Resektion führte dabei auch zu einer erhöhten Abduktion mit einer maximalen Veränderung von 0,5°. Die laterale Versteifung erhöhte die Abduktionswinkel, wohingegen die mediale Versteifung sie verringerte.

Diskussion und Schlussfolgerung: Die Resektion des PCL beeinflusst die anterior-posteriore Translation und die Varus-Valgus-Stabilität bei höheren Flexionswinkeln. Die Ergebnisse bestätigen die Machbarkeit dieser Methode zur Untersuchung von Knie-EP während verschiedener Bewegungsaktivitäten bei unterschiedlichen Weichteilsituationen.

Danksagung: Die Autoren danken der DFG für die Förderung des VIVOTM-Simulators (GZ: INST 2268/17-1 FUGG) sowie dem Laboratory for Movement Biomechanics der ETH Zürich und dem Julius Wolff Institut der Charité Universitätsmedizin Berlin für die Erlaubnis, die Daten des CAMS-Knee Projekts (https://cams-knee.orthoload.com/) zu verwenden.

Abbildung 1 [Abb. 1]

Literatur

[1] Dreyer MJ, Trepczynski A, Hosseini Nasab SH, Kutzner I, Schütz P, Weisse B, Dymke J, Postolka B, Moewis P, Bergmann G, Duda GN, Taylor WR, Damm P, Smith CR. European Society of Biomechanics S.M. Perren Award 2022: Standardized tibio-femoral implant loads and kinematics. J Biomech. 2022 Aug;141:111171. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2022.111171.