Entwicklung von Finite-Elemente-Modellen für Knorpelersatzmaterial

Zusammenfassung

Bei der Entwicklung von Knorpelersatzmaterial sind mechanische Modelle erforderlich, um die Elastizität und das Dämpfungsverhalten des künstlichen Materials quantifizieren zu können. Ziel ist es, aus Materialprüfversuchen Parameter zu identifizieren, mit denen mechanische Eigenschaften wie Elastizität und Dämpfung objektiv beurteilt werden können. Dies ist besonders dann entscheidend, wenn die Entwicklung von Materialeigenschaften über einen Kultivierungszeitraum von mehreren Wochen untersucht werden soll. In der vorliegenden Studie wird eine Methode vorgeschlagen, mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells alle notwendigen Materialparameter zu identifizieren. Als Grundlage für die numerische Simulation dient ein phänomenologisches Materialmodell, in dem alle elastischen Eigenschaften sowie das Dämpfungsverhalten auf möglichst wenige Parameter zurückgeführt werden, sodass eine praktische Materialparameteridentifikation möglich wird. Hierbei werden deformationsabhängige Dämpfungseigenschaften des Ersatzmaterials durch Parameter beschrieben, die aus Materialprüfversuchen identifiziert werden, ohne dass Porenanteile oder Festkörper- bzw. Fluidanteile aufwendig bestimmt werden müssten.

Abstract

In the development of cartilage replacement materials, mechanical models are necessary to quantify elasticity and damping properties of the artificial tissue. The aim is to identify parameters from material tests leading to an objective assessment of elasticity and damping for tissue replacement. This is especially important as the evolution of material properties is investigated during a cultivation period of several weeks. For this reason, in the present study a method is proposed to identify all necessary material parameters by means of a finite element model. The numerical simulations are based on a phenomenological material model exhibiting as few parameters as possible for covering elastic material and damping properties. This allows a practical identification of material parameters. Thus, deformation dependent damping properties of the replacement material are covered by parameters identified from material tests without extensive determination of pore, solid or fluid fractions.