Fatigue Analysis of a Reconstructed Femur. Effects of Prosthetic Materials

Hüftoperationen haben sich als erfolgreichster chirurgischer Eingriff des letzten Jahrhunderts etabliert. Langzeitstudien von zementierten Hüftgelenken haben jedoch aufgezeigt, dass zehn Jahre nach dem Eingriff gehäuft Fehler auftreten, meistens im Bereich zwischen Knochen und Knochenzement. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, zu untersuchen, wie verschiedene Materialien des Prothesenstamms die Langzeitstabilität eines künstlichen Hüftgelenks beeinflussen. Der Fokus dieser Diplomarbeit liegt im Bereich der Oberschenkelknochenprothese, während der zweite Teil der Hüftprothese außerhalb des Rahmens dieser Diplomarbeit liegt. In einer intensiven Literaturrecherche werden Anatomie des Hüftgelenks, Materialeigenschaften der Knochen und des Knochenzements, Belastungssituationen und tägliche Aktivitäten von hüftoperierten Patienten untersucht. Anatomisch genaue 3D Modelle werden auf Grundlage von Computertomographiedaten erstellt. Eine Sensitivitätsanalyse über verschiedene Modellierungsarten und Zuweisungen von heterogenen anisotropen Materialeigenschaften wird erstellt. Statische Finite Elemente Analysen werden durchgeführt, um die Spannungsverteilung im künstlichen Hüftgelenk zu berechnen und verschiedene Materialien des Prothesenstamms zu evaluieren. Reale Belastungssituationen während normalem Gehen und Stufensteigen werden in einer dynamischen Transientenanalyse simuliert, wobei die Kontaktkraft der Hüfte und diverse Muskelkräfte berücksichtigt werden. Langzeitstabilität des Knochenzements, welcher das schwächste Glied ist, wird in einer allgemeinen und einer mehrachsigen Betriebsfestigkeitssimulation berechnet. Materialeigenschaften von Knochenzement und weitere Einflussfaktoren von Materialermüdung werden mitberücksichtigt. Es wird darauf eingegangen, wie sich die Wandstärke vom Knochenzement auswirkt. Außerdem werden Vorschläge zur Erhöhung der Lebensdauer des Knochenzements erläutert. Rostfreier Stahl wird als bestes Material im Bezug auf die Lebensdauer von Knochenzement ermittelt. Eine Lebensdauer von 9,47 Millionen Lastzyklen wird errechnet, bevor eine Rissausbreitung im Knochenzement beginnt. Wird der Elastizitätsmodul des Prothesenstamms verringert, führt dies zu einer kürzeren Lebensdauer. Wenn Titan anstelle von rostfreiem Stahl verwendet wird, verringert sich die Lebensdauer drastisch auf 3,83 Millionen Lastzyklen, was einer Reduktion um 59,6 Prozent entspricht.