No description available.

Fragestellung der Arbeit: Aus der Literaturbetrachtung wird deutlich, dass unterschiedlichste Testverfahren zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von Laufschuhen eingesetzt. Bisher gibt es kein standardisiertes und allgemein anerkanntes mechanisches Testverfahren. Im Gegensatz zu biomechanischen Untersuchungen verwendet bei mechanischen Messungen nahezu jeder Autor ein anderes Prüfverfahren. Wichtige Entscheidungsprozesse, welche zur Entwicklung des jeweiligen Prüfverfahrens führen, werden gar nicht oder nur unzureichend erläutert. Daher ist es nicht möglich eine generelle Vorgehensweise zur Erstellung eines neuen Prüfverfahrens abzuleiten. Aus den diskutierten Studien kann man schlussfolgern, dass bisherige mechanische Testverfahren die biomechanischen Zusammenhänge nur ungenügend abbilden können. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein allgemeingültiges mechanisches Prüfverfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, die Materialeigenschaften eines Laufschuhs im Rückfußbereich zu untersuchen. Ein wesentlicher Punkt dieser Arbeit ist es dabei, die mechanischen Eingabeparameter auf eine möglichst breite Basis von biomechanischen Messdaten aufzubauen. Dazu werden verschiedene biomechanische Messungen durchgeführt und mit den Ergebnissen früherer Studien verglichen. Durch diese Vorgehensweise soll dem Anspruch der Allgemeingültigkeit Rechnung getragen werden. Ein wesentliches Anliegen dieser Arbeit ist darüber hinaus die Dokumentation und Diskussion aller wichtigen Entscheidungsschritte, die zu diesem Prüfverfahren führen. Um die gesetzten Ziele zu erreichen, werden folgende Fragestellungen beantwortet: F1 - Welche Stempelgeometrie muss für das zu entwickelnde Testverfahren verwendet werden um der anatomischen Belastungsfläche zu entsprechen? F2 - Wie muss der Stempel ausgerichtet werden um die Kraft in das Material einleiten zu können? F3 - Wie hoch sind die verwendeten Kräfte zur Belastung des Rückfußbereiches beim Laufen? F4 - Ermöglicht das mechanische Prüfverfahren eine zuverlässige Bestimmung der mechanischen Laufschuheigenschaften? F5 - Ermöglicht das mechanische Prüfverfahren eine Bestimmung funktionaler Laufschuheigenschaften?:1 Einführung - S.1 2 Forschungsstand - S.5 3 Fragestellung der Arbeit - S.86 4 Methodisches Verfahren - S.88 5 Erstellung des mechanischen Testverfahrens - S.96 6 Evaluierung des Testverfahrens - S.126 7 Anwendungsmöglichkeiten - S.172 8 Reflektion der Ergebnisse - S.178 9 Literatur - S.180 10 Anhang - S.191 Danksagung - S.196 Lebenslauf - S.198 Erklärung - S.200

Bike fitting can have a major impact on the performance of cyclists and can reduce the risk of non-traumatic injuries. This study shows significant changes in lower body biomechanics of road cyclists during and after fatigue and therefore expands the research from a more practical view. These findings support the expansion of future research using sensor-based analyses of road cycling (e.g., IMUs, oxygen saturation). / Die Einstellung des Fahrrads kann einen großen Einfluss auf die Leistung von Radfahrern haben und das Risiko nichttraumatischer Verletzungen verringern. Diese Studie zeigt signifikante Veränderungen in der Biomechanik des Unterkörpers von Rennradfahrern während und nach der Ermüdung und erweitert damit die Forschung aus einer eher praktischen Sicht. Diese Ergebnisse unterstützen die Ausweitung zukünftiger Forschung unter Verwendung sensorbasierter Analysen des Straßenradsports (z. B. IMUs, Sauerstoffsättigung).

Zellmembranen sind hochspezialisierte Mehrkomponentenlegierungen, welche sowohl die Zelle selbst als auch ihre Organellen umgeben. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei vielen biologisch relevanten Prozessen wie die Signaltransduktion und die Zellbewegung. Aus diesem Grund ist eine genaue Charakterisierung ihrer Eigenschaften der Schlüssel zum Verständnis der Bausteine des Lebens sowie ihrer Erkrankungen. Besonders Krebs steht im engen Zusammenhang mit Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften vom Gewebe, Zellen und ihren Organellen. Während Veränderungen des Zytoskeletts von Krebszellen im Fokus vieler Biophysiker stehen, ist die Bedeutung der Biomechanik von Zellmembran weitgehend unklar. Zellmembranen faszinieren Wissenschaftler jedoch nicht nur wegen ihrer biomechanischen Eigenschaften. Sie sind auch Beispiele für eine selbstorganisierte und heterogene Landschaft, in der Prozesse fernab des Gleichgewichtes, wie z.B. räumliche und zeitliche Musterbildungen, auftreten. Die vorgelegte Dissertation untersucht erstmals umfassend die zentrale Rolle der Zellmembran und ihrer molekularen Architektur für die Signalübertragung, die Biomechanik und die Zellmigration. Hierfür werden einfache Modellmembranen aber auch komplexere Vesikel und ganze Zellen mittels etablierter physikalischer Methoden analysiert. Diese reichen von Fourier- Analysen zur Charakterisierung von thermisch angeregten Membranundulationen über Massenspektrometrie und ‘Optical Stretcher’ Messungen von ganzen Zellen bis hin zur Filmwaagentechnik. Des Weiteren wird ein Modellsystem vorgestellt, welches sowohl einen experimentellen als auch einen mathematischen Zugang zum ‘ME-switch’ ermöglicht. Die vorgelegte Dissertation bietet neue Einblicke in wichtige Funktionen von Zellmembranen und zeigt neue therapeutische Perspektiven in der Membran- und Krebsforschung auf.

An Yucatan Micropig(R) wurde überprüft, ob die systemische Applikation von Wachstumshormon (GH) in der Lage ist, die Regeneratkonsolidierung bei der Distraktionsosteogenese signifikant zu beschleunigen. Es erfolgte die Entwicklung eines speziellen externen Fixateurs (Halbringf.) mit welchem biomechanische in-vivo Messungen durchgeführte werden konnten. Ebenso wurden serologische, sonographische, röntgenologische, computertomographische, histomorphometrische und post mortem biomechanische Untersuchungen entwickelt und durchgeführt. Die Applikation von rekombinantem spezies-spezifischen Wachstumshormon bei der Distraktionsosteogenese zeigte bei dem von uns gewählten Tiermodell eine signifikante Beschleunigung der Regeneratkonsolidierung. Die biomechanischen Messungen ergaben eine mehr als verdoppelte Steifigkeit und Festigkeit der distrahierten Tibiae nach nur 10 Tagen Konsolidierungszeit im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die CT erbrachte für die mit GH behandelten Tiere einen signifikant erhöhten Mineralisierungsgrad im Regenerat, zum gleichen Ergebnis kam die digitale Lumineszenzradiographie und die sonographische Vermessung des Regeneratdurchbaus. Somit zeigten alle Meßmethoden eine deutliche Beschleunigung der Regeneratkonsolidierung durch systemisch appliziertes GH. In den serologischen Untersuchungen fand sich eine signifikante Korrelation zwischen dem Serumspiegel der b-ALP und dem des IGF-I. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Wirkung des Wachstumshormons auf das Regenerat durch seinen Mediator IGF-I bedingt ist. / To investigate the effect of systemic growth hormone (GH) application experiments were performed in a micropig animal model. Systemic daily s.c. injection of species-specific recombinant GH was investigated in Yucatan micropigs to evaluate the effect on intramembranous bone formation in distraction osteogenesis. Quantitative computed tomography (qCT), quantitative ultrasound, digital luminescence radiography, biomechanical in-vivo and post mortem testing, serological investigations as well as histomorphometric analyses were performed to investigate differences in regenerate formation. Systemic GH administration significantly increased in the present animal model the torsional stability of the regenerate in-vivo as well as post mortem in comparison to the contralateral side. Also all additional methods showed an accelerated regenerate consolidation in case of GH application. Systemic Insulin-like growth factor -I levels correlated well with the bone specific alkaline phosphatase levels. This may indicate, that the effect of GH on the distraction osteogenesis is IGF-I mediated.

Im Rahmen der Biomechanik werden der Einfluss mechanischer Bedingungen auf die Heilung biologische Gewebe, wie zum Beispiel Knochen und Knorpeln untersucht. Die vorliegende Arbeit bestimmte zum Einen am Beispiel des Humerus das mechanische Verhalten von intakten und frakturierten Knochen mit verschiedener Knochenqualität (Osteoporose versus gesunden Knochen) unter verschiedenen physiologischen Belastungen. Dazu wurde ein Finite Elemente Modell des entsprechenden Knochens erstellt. Die Knochenqualität erwies sich für die Heilung als wichtigerer Parameter, als die jeweilige physiologische Belastung. Künftige Therapien der Osteoporose sollten daher die jeweils individuelle Dichteverteilung des entsprechenden Knochens explizit berücksichtigen. Zum zweiten wurde ein biphasisches, linear-elastisches Gewebedifferenzierungsmodell entwickelt, mit dem durch iterative Berechnung der Elastizität die Heilung eines osteochondralen Defektes verfolgt werden konnte. Damit konnten die Steifigkeiten und die Orte im und um den ursprünglichen Defekt, an denen sich während der osteochondralen Heilung die verschiedenen Gewebearten neu bilden, quantitativ und qualitativ (Vergleich mit Tierexperimentation) ermittelt werden. Der Erfolg dieses Modells erlaubte die Antwort auf verschiedene Fragestellungen: Einfluß der Defekt- und Gelenkgeometrie auf die Häufigkeit des Auftretens osteochondraler Defekte und ihre Heilungschancen, sowie die Wahl der Steifigkeit eines optimalen Biomaterials zur Defektausfüllung. Osteochondrale Defekte scheinen in konkaver Geometrie etwas besser zu heilen, weil dort mehr hyaliner Knorpel gebildet wird. Grafts mit derselben Steifigkeit des ursprünglichen Knochens bilden kalzifizierenden Knorpel um mehr hyaliner Knorpel am Ende des Heilungsprozesses und sind daher weicheren Biomaterialien vorzuziehen. / In biomecanics the influence of mechanical conditions on healing of biological tissues as bones or soft tissues are analysed. In the frame of this work the mechanical behavior of intact and fractured bones with different bone qualities (osteoporotic versus normal) has been examined in a proximal humerus. Therefore a finite element model of the bone was constructed. It was found that the bone quality has a stronger impact on healing than the actual physiological loading condition does. Hence, for a future therapy of osteoporosis the precise density distribution of each individual bone must be considered. In a second step a biphasic, linear-elastic model for tissue differentiation was developed, where osteochondral healing was simulated by iterative calculation of the elastic modulus of Young within the joint region. By using this model it was possible to predict in which order in all regions of the joint the osteochondral healing took place. The stiffnesses of the newly differentiated tissues agreed well to the derived quantities of animal experimentation. Hence, this tissue differentiation model could be used to analyse some questions concerning the geometry and healing success of osteochondral defects. In concave geometry more hyaline cartilage was formed, which has better mechanical properties than fibrous one. Moreover, the stiffness of an optimal biomaterial could be determined: grafts with the same stiffness as the original bone will lead to the formation of calcified bone and more hyaline cartilage, which is favourable compared to a less stiffer biomaterial.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mechanischen Untersuchung des menschlichen Fersenfettpolsters (FP) in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht. Das menschliche FP stellt evolutionsgeschichtlich eine Anpassung an den aufrechten Gang dar. Durch Aufrichtung des Oberkörpers im Zweibeingang kam es zur Ganglinienverlängerung in Richtung Ferse und folglich zu einer Mehrbelastung des Rückfußes. Sie prägten die Funktion des FP, die Kräfte beim Aufsetzen der Ferse zu reduzieren. Das FP, das ein spezielles Unterhautfettgewebe ist und sich aus straffem und lockerem Bindegewebe zusammensetzt, kann die Kräfte durch Verteilen und Absorbieren vermindern. Bekannt ist, dass sich das mechanische Verhalten der Haut zwischen Mann und Frau unterscheidet. Da das FP ein Bestandteil der Haut ist, stellt sich als ein Schwerpunkt dieser Arbeit die Frage: Unterscheidet sich das FP mechanisch zwischen Mann und Frau? Aus naturwissenschaftlicher Sicht ist Altern ein natürlicher Mechanismus, der die Lebenskraft des Organismus durch Zellalterung und –tod reduziert. Aus evolutionärer Sicht wurde zugelassen, dass sich bestimmte Zellen bzw. Gewebe, welche hohen endogenen und exogenen Faktoren ausgesetzt sind, vollständig aber begrenzt regenerieren dürfen. Es wird als primäres Altern gekennzeichnet. Das primäre Altern kann positiv oder negativ durch äußere Einwirkungen auf den Organismus („Sekundäres Altern“) beeinflusst werden. Bindegewebe, welches hohen exogenen Faktoren ausgesetzt ist, sind insbesondere Schnittstellen zwischen „Biologischem System“ und „Umwelt“ (z.B. beim Menschen das Gewebe der Hautinnenfläche oder der Fußsohle). Es wird erwartet, dass das FP dem Alterungsprozess stark unterworfen ist, da es alltäglich mechanisch beansprucht wird. Folglich kann es zu einem mechanischen Funktionsverlust des FP kommen, das sich negativ auf die Belastbarkeit des Rückfußes auswirken kann. Die Entwicklung von altersbedingten Verschleißerkrankungen kann nicht ausgeschlossen werden. Als ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit stellt sich die Frage: Unterscheidet sich das FP mechanisch zwischen Jung und Alt? Es gibt hinsichtlich der Thematik dieser Dissertation wenige Untersuchungen. Die Autoren kommen zum Teil zu unterschiedlichen Ergebnissen und Schlussfolgerungen, dass möglicherweise auf die unterschiedlich verwendete Methodik zurückzuführen ist. Die Vor- und Nachteile der bisher durchgeführten Experimente machen es schwierig, Stellungnahme zu beziehen, welche der Tests die zuverlässigsten Ergebnisse liefern. Seit den letzten 10-15 Jahren wurde immer häufiger Ultraschall als zusätzliche Informationsquelle in mechanischen Messplätzen integriert, um innere Kenndaten zum mechanischen Verhalten des FP abzuleiten. Allerdings waren die quasi-statischen Messungen und die geringen Kontaktkräfte der limitierende Faktor um das mechanische Verhalten valide zu charakterisieren. Mit einem eigens entwickelten Messplatz sollte dieser methodische Ansatz überholt werden. Der instrumentierte Belastungsschlitten ermöglicht die Aufnahme von dynamischen Ultraschallbildsequenzen unter mindestens 10-fach höheren Kontaktkräften bei fast doppelter Fersenkontaktgeschwindigkeit gegenüber den bisher bekannten Ultraschallexperimenten in der Literatur. Mögliche geschlechts- und altersspezifische Unterschiede im mechanischen Verhalten des FP sind grundlegend für die Orthopädie-Technik, die klinische Forschung und die Biogerontologie. Die Orthopädie-Technik benötigt insbesondere die Erkenntnisse zum mechanischen Verhalten der Haut an unterschiedlichen Stellen der unteren Extremität in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht, um den Tragekomfort und die Bewegungseffizienz von Prothesen und Orthesen zu bessern. In der klinischen Forschung zeigt sich das Interesse an den altersspezifischen mechanischen Kenndaten, um im Zusammenhang zu klinischen Parametern die Entwicklung von orthopädischen Erkrankungen zu erforschen. Für die Biogerontologie wäre diese Art von Forschung relevant, um Zusammenhänge zu histologischen Parametern zu überprüfen, die direkt am Alterungsprozess des Bindegewebes beteiligt sind. Sie könnten zur Entschlüsselung des Mechanismus „Altern“ beitragen.

Einfluss von Traktion auf das Bewegungsverhalten im Fußball - Interaktion zwischen Sohlenkonfigurationen von Fußballschuhen und Kunstrasen der dritten Generation Einleitung/Zielstellung: In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Kunstrasen im Fußball enorm an Bedeutung zugenommen. Dabei sind qualitativ hochwertige Kunstrasenplätze (3. Generation, FIFA 2-Star) von der FIFA zum offiziellen Spielbetrieb zugelassen. Neuste Verletzungsstudien und Spielanalysen zeigen, dass sich die Eigenschaften von Kunstrasen und Naturrasen im Bezug auf Verletzungshäufigkeit und Spielgeschehen nicht gravierend unterscheiden (Ekstrand et al. 2006, FIFA 2009d). Doch sind Bewegungsverhalten und Bewegungsstrategien der Spieler auf Kunstrasen im Fußball noch nicht vollkommen verstanden. Ein Hauptkriterium für das Bewegungsverhalten des Sportlers sind die Traktionsverhältnisse – die Interaktion zwischen Schuh und Spielfläche (Sterzing et al. 2007). Hierfür nimmt die Sohlenkonfiguration eines Fußballschuhs, die durch Anzahl, Länge, Anordnung und Material der Nocken modifizierbar ist, eine zentrale Rolle ein. Die Traktionsverhältnisse haben dabei einen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Belastung des Sportlers (Shorten et al. 2003). Auf Kunstrasen verwenden Sportler Fußballschuhe mit einer Sohlenkonfiguration, die für Naturrasen entwickelt worden ist. Zum Zeitpunkt dieser Arbeit gab es nur vereinzelte und unsystematische Forschungen bezüglich Sohlenkonfigurationen für Kunstrasen. Somit herrscht eine Diskrepanz zwischen einer „neuen“ verwendeten Spielfläche und „alten“ getragenen Schuhen. In der Bewegungswissenschaft dient eine komplexe Sportschuhforschung dazu, Kriterien wie Traktionsverhältnisse zu untersuchen. Die komplexe Sportschuhforschung setzt sich dabei aus sportmotorischen, subjektiven, biomechanischen und mechanischen Messungen zusammen. Generell richtet sich dabei der Fokus von biomechanischen Messungen auf die genutzte Traktion, von mechanischen Messungen auf die verfügbare Traktion. In diesem Zusammenhang ist das Konzept von verfügbarer und genutzter Traktion von Fong et al. (2009) aufgezeigt. Geeignete Traktionsverhältnisse hinsichtlich einer besseren Leistungsfähigkeit spiegeln sich in höheren biomechanischen Scherkräften und einer besseren subjektiven Bewertung wider. Diese höheren biomechanischen Scherkräfte ermöglichen dem Sportler eine schnellere Laufzeit zu erzeugen. Ungeeignete Traktionsverhältnisse hinsichtlich einer erhöhten Belastung für den Sportler können sich durch eine Kombination oder Verbindung von einer relativ starken Fixierung des Schuhs mit der Spielfläche und erhöht auftretenden Gelenksmomenten der unteren Extremitäten auszeichnen. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Traktionsverhältnissen verschiedener Sohlenkonfigurationen von Fußballschuhen auf Kunstrasen. Dabei standen sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Belastung des Sportlers im Fokus der Arbeit. Außerdem ist der Einfluss von verschiedenen Rahmenbedingungen, wie Traktionsverhältnisse und verschiedene Bewegungsaufgaben (zeitliche Verzögerung durch Reaktion), auf die Bewegungsausführung von Sportlern bei schnellen Umkehrbewegungen analysiert worden. Methodik: Die Arbeit beinhaltet in einem Zeitrahmen von drei Jahren, drei aufeinander aufbauende Studien mit unterschiedlichem Untersuchungsdesign. Inhalte und Fragestellungen der einzelnen Studien ergaben sich aus den Erkenntnissen der jeweils davor durchgeführten Studie. Einzelne Messungen der Studien fanden entweder im Labor oder auch teilweise auf Sportplätzen als Feldtest statt. Studie 1 untersuchte die Traktionsverhältnisse von drei gängigen Sohlenkonfigurationen (Multinocken, Nocken, Stollen) und eines Prototypen (Kunstrasenmodell) hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und funktionaler Nutzung. Inhalte waren ein sportmotorisches, subjektives, biomechanisches und mechanisches Testverfahren. Grundlegende Traktionsvariablen der einzelnen Testverfahren waren die Laufzeit der Probanden durch einen Slalom- und Sprintparcours, die subjektive Einschätzung der Probanden hinsichtlich der Traktionseignung der Sohlenkonfigurationen, Bodenreaktionskraftvariablen, wie horizontale Scherkräfte und der Kraftwert aus Scherkraft dividiert durch Vertikalkraft, bei verschiedenen fußballspezifischen Bewegungsausführungen und mechanische Traktionsvariablen wie Reibungskoeffizienten und Kraftanstiegsraten. In Studie 2 wurde das Bewegungsverhalten bei verschiedenen Sohlenkonfigurationen (Schuh ohne Nocken, Kunstrasenmodell, Nocken, Stollen) mit Hilfe einer biomechanischen Messung (Bewegungsanalyse) bei einer schnell ausgeführten Umkehrbewegung analysiert. Ziel war es, Bewegungsadaptationen aufgrund unterschiedlicher Traktionsverhältnisse kinematisch und kinetisch zu quantifizieren. Grundlegende Untersuchungsaspekte waren hierbei die Gelenksmomente der unteren Extremitäten, die horizontale Fußtranslation, definiert als relative Bewegung des Schuhs auf der Spielfläche während des Bodenkontakts und Winkelverläufe einzelner Segmente und Gelenke. In Studie 3 wurde der Einfluss auf das Bewegungsverhalten bei reaktiven Bewegungsausführungen gegenüber aktiven Bewegungsausführungen mit verschiedenen Sohlenkonfigurationen (Kunstrasenmodell, Nocken) bei einer schnell ausgeführten Umkehrbewegung untersucht. Für diese Studie diente erneut ein biomechanisches Testverfahren (Bewegungsanalyse) zur Analyse von kinematischen und kinetischen Variablen von Reaktion und Sohlenkonfigurationen. Für alle drei Studien stand insgesamt ein Probandenpool aus 58 männlichen Fußballspielern (Alter: 22.4 ± 3.3Jahre, Größe: 177.2 ± 4.6cm, Gewicht: 71.4 ± 5.6kg, Fußballpraxis: 6.4 ± 3.7h/Woche) zur Verfügung. Für die statistische Auswertung konnte mittels der Varianzanalyse für Mehrfachmessungen (ANOVA) und gegebenenfalls einer Post-Hoc Analyse nach Bonferroni zwischen den Sohlenkonfigurationen für sportmotorische und biomechanische Variablen diskriminiert werden. Für subjektive Testverfahren wurde der Friedman-Test verwendet, um zwischen Sohlenkonfigurationen zu unterscheiden. Die statistische Auswertung des mechanischen Testverfahrens erfolgte deskriptiv. In Studie 3 wurden die Daten mit einer zweifaktoriellen ANOVA mit Messwiederholung (Schuh und Reaktion) analysiert. Außerdem wurde in dieser Studie zusätzlich das Joint Coupling verwendet (Heiderscheidt et al. 2002). Ergebnisse: Traktionsverhältnisse auf Kunstrasen der dritten Generation beeinflussen die Leistungsfähigkeit des Sportlers und die Belastungen für den Körper des Sportlers. Flächig verteilte Sohlenkonfigurationen, wie das Multinocken- und Kunstrasenmodell, ermöglichen dem Sportler im Vergleich zu Sohlenkonfigurationen mit sehr langen Stollen, schneller einen Laufparcours zu durchlaufen. Schneller Laufzeiten werden außerdem auch subjektiv von den Sportlern wahrgenommen. Mit diesen Sohlenkonfigurationen erzielen die Sportler außerdem höhere biomechanische Scherkräfte. Hohe mechanische Traktionswerte spiegeln sich dabei nicht zwangsläufig in einer besseren Leistungsfähigkeit der Sportler. Niedrige Traktionsverhältnisse erzeugen bei schnellen Umkehrbewegungen einen vertikaleren Fußaufsatz und reduzierte Gelenksmomente durch ein erhöhtes „Rutschrisiko“. Dies führt zu einem Verlust an Leistungsfähigkeit. Hohe und exzessive Traktionsverhältnisse weisen sowohl eine relativ starke Fixierung des Schuhs mit der Spielfläche als auch hohe Gelenksmomente während des Richtungswechsels auf. Bewegungsadaptationen zwischen Fußballschuhen treten primär im distalen Bereich der unteren Extremitäten auf. Reaktive Bewegungsausführungen zeichnen sich aufgrund einer längeren Reaktionsphase gegenüber aktiven Bewegungsausführungen mit einem ungünstigen Fußaufsatz aus. Dies zeichnet sich bei Umkehrbewegungen durch eine geringere Tibiarotation und Fußadduktion in die neue Bewegungsrichtung aus. Während der Umkehrbewegung wird diese ungünstige Stellung der unteren Extremitäten primär durch einen verstärkten Eversionswinkel im Sprunggelenk kompensiert. Bei reaktiven Bewegungsausführungen sind außerdem die Momente im Knie- und Sprunggelenk erhöht. Unterschiede im Bewegungsmuster bei Sohlenkonfigurationen, die sich im Aufbau nicht stark unterscheiden, können bei verschiedenen Rahmenbedingungen nicht gefunden werden. Diskussion: Sohlenkonfigurationen beeinflussen das Bewegungsverhalten auf Kunstrasen. Niedrige Traktionsverhältnisse spiegeln sich in einem vorsichtigeren Bewegungsverhalten durch ein erhöhtes „Rutschrisiko“ wider, zu hohe Traktionsverhältnisse implizieren durch eine starke Fixierung des Sportlers mit der Spielfläche ebenfalls ein vorsichtigeres Bewegungsmuster. Nach dem Konzept von Fong et al. (2009) zeigen flächig und eben verteilte Sohlenkonfigurationen eine biomechanisch höhere genutzte Traktion. Im Gegensatz dazu, weisen Sohlenkonfigurationen mit langen Stollen eine höhere mechanisch verfügbare Traktion auf. Diese hohen mechanischen Traktionseigenschaften verhindern dabei aber den Sportler mit seiner bestmöglichen Leistung zu agieren. Flächig und eben verteilte Sohlenkonfigurationen wirken sich somit auf Kunstrasen der dritten Generation hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Belastung für den Körper positiv aus. Dabei erzeugen hohe biomechanische Scherkräfte eine schnellere Abstoppbewegung oder eine kraftvollere Abstoßbewegung, die sich bei schnellen Umkehrbewegungen positiv auf die Bewegungsausführung auswirkt. Laufzeiten durch Parcours (Krahenbuhl 1974, Sterzing et al. 2009) und biomechanische Scherkräfte (Valiant 1988, Morag & Johnson 2001, Shorten et al. 2003) dienen als geeigneten Variablen, um Traktionsverhältnisse hinsichtlich der Leistungsfähigkeit zu untersuchen. Sowohl die Eindringtiefe der Nocken in die spezielle Verfüllung von Kunstrasen als auch die Verteilung der Nocken (Abstand Vorfuß- Rückfußnocken) können dabei die Traktionsverhältnisse von Fußballschuhen beeinflussen. Gelenksmomente und die horizontale Fußtranslation sind geeignete Indikatoren für die Belastungen der unteren Extremitäten während schnellen Richtungswechseln (Torg & Quedenfeld 1971, Ryder et al. 1997). Dabei erzeugen Sohlenkonfigurationen mit hohen mechanisch verfügbaren Traktionsverhältnisse eine niedrige horizontale Fußtranslation und erhöhte Gelenksmomente. Primär finden Adaptationsprozesse durch unterschiedliche Traktionsverhältnisse von Fußballschuhen im distalen Bereich der unteren Extremitäten statt. Dies könnte in Verbindung zu den Aussagen von Studien stehen, die im Fußball dem Sprunggelenk die größte Verletzungshäufigkeit zusprechen (Ekstrand et al. 2006). Reaktive Bewegungsausführungen können als weiteren möglichen Faktor für Verletzungen im Fußball herangezogen werden (Besier et al. 2001a). Hierfür richtet sich bei reaktiv durchgeführten Richtungswechseln erneut der Fokus auf das Sprunggelenk. Durch eine zeitliche Verzögerung bei reaktiven Bewegungen ist die Stellung der unteren Extremitäten des Sportlers im Vergleich zu aktiven Bewegungen weniger in die neue Bewegungsrichtung gebracht. Diese ungünstigere Stellung versucht der Sportler primär über eine verstärkte Eversion des Sprunggelenks zu kompensieren. Diese Kompensation kann für den Sportler ein erhöhtes Belastungsprofil im Sprunggelenk bedeuten (Giza et al. 2003). Allgemein lässt sich feststellen, dass sich ähnliche Sohlenkonfigurationen bei Probandentests hinsichtlich von Traktionsmessungen nur marginal unterscheiden. Eine Kombination von einer Vielzahl an möglichen Adaptationsprozessen, die sich in der Summe nivellieren, scheinen hierbei die Traktionseigenschaften von leicht unterschiedlichen Sohlenkonfigurationen zu überschatten. Eine Kombination aus sportmotorischem, subjektivem, biomechanischem und mechanischem Testverfahren ermöglicht eine allgemeingültige Aussage über Traktionsverhältnisse von Sohlenkonfigurationen auf Kunstrasen. Zusammenfassung: Traktionsverhältnisse, modifizierbar durch unterschiedliche Sohlenkonfigurationen, können die Leistungsfähigkeit der Sportler und die Belastungen der unteren Extremitäten beeinflussen. Auf Kunstrasen der dritten Generation erweisen sich eben und flächig verteilte Sohlenkonfigurationen als Vorteilhaft. Die Belastungen der unteren Extremitäten können sich durch reaktive Bewegungsausführungen weiter erhöhen. / Influence of traction properties on movement patterns in soccer – Interaction between sole configurations of soccer boots and 3rd generation artificial turf Introduction/Objective: In recent years the development of artificial soccer turfs got an enormous enhancement. Thereby, high quality types of artificial soccer turfs (3rd generation, FIFA 2-star) were approved for official game play by the FIFA. Latest injury studies and game analysis studies showed that characteristics between artificial turf and natural grass do not differ for injury rates and playing style (Ekstrand et al. 2006, FIFA 2009d). However, movement patterns and movement strategies of soccer players on artificial turf are yet not fully understood. Main criteria for movement patterns of soccer players are traction properties – the player-surface interaction (Sterzing et al. 2007). Therefore, sole configurations of a soccer boot modifiable in numbers, length, geometry and material of studs plays an influencing role. Traction properties influence performance aspects and loads acting on the players’ body (Shorten et al. 2003). On artificial turf players normally use soccer boots with sole configurations designed for playing on natural grass. At the time of this project there were only isolated and unsystemmatic researches according to sole configurations for artificial turf. Thus, there is a discrepancy between a “new” surface and “old” shoes in soccer. In human locomotion a comprehensive assessment of athletic footwear is used to analyse criteria such as traction properties. Comprehensive assessment of athletic footwear contains motor performance, perception, biomechanical and mechanical testing. Generellay, biomechanical measurements focus on utilized traction, mechanical measurements on available traction. In this context, the concept of available and utilized traction is distinguished by Fong et al. (2009). Suited traction properties with regard to performance aspects might be reflected in higher utilized biomechanical shear forces and better perception. These higher biomechanical shear forces enable the player to run faster. Unsuited traction properties with regard to higher loads acting on the players’ body might be displayed by a combination or a linkage of relative fixed shoes with the ground and higher joint moments at the lower extremities. The objective of this doctoral thesis was to investigate traction properties of various sole configurations of soccer boots on artificial turf. Thereby, performance aspects as well as loads acting on the players’ body were on the focus of this doctoral thesis. Additionally, the influence of various basic conditions like traction properties and movement requirements (time constraint due to reaction) on movement pattterns were analyzed during dynamic changes of direction. Methods: This doctoral thesis contained three interdependent studies with several methods in a time period of three years. Topics and questions of each single study were resulted in the findings of the respective study before. Single testing sessions took place either in laboratory environment or partly on the pitch as field testing. In study 1 traction properties of three current available sole configurations (hard ground, firm ground and soft ground) and one prototype (artificial turf) were investigated with regard to performance aspects. Topics were motor performance, perception, biomechanical and mechanical testing. Fundamental traction variables of the testing sessions were running times of subjects through a slalom and acceleration course, traction perception of subjects according to liking of the sole configurations, ground reaction forces variables like horizontal shear forces and force ratio, shear force divided by vertical force, during several soccer-specific movements and mechanical traction variables like traction coefficients and force rising rates. In study 2 movement patterns of various sole configurations (soccer boot without studs, artificial turf, firm ground and soft ground) were analyzed via biomechanical testing (motion analysis) during dynamic turning movements. The purpose of this study was to quantify movement adaptations based on different traction properties. Fundamental research aspects were joint moments of the lower extremities, horizontal foot translation, defined as the relative motion of the shoe on the surface during ground contact and angles of several segments and joints of the lower extremities at touchdown and during turning. In study 3 the influence on movement patterns during reactive movements compared to active movements wearing various sole configurations (artificial turf, firm ground) during dynamic turning movements were investigated. For this study also biomechanical testing (motion analysis) served for analysis of kinematic and kinetic variables of reaction and sole configurations. For all three studies a subject pool of 58 male soccer players (age: 22.4 ± 3.3years, height: 177.2 ± 4.6cm, weight: 71.4 ± 5.6kg, experience: 6.4 ± 3.7h/week) was available. Statistical analysis was done by a one way repeated measured ANOVA and a post-hoc test by Bonferroni for motor performance and biomechanical variables to discriminate between sole configurations, if this was appropriate. For subjective testing, Friedman-test were used to differentiate between sole configurations. For mechanical testing, descriptive statistics were applied. In study 3 the data were analyzed according to two factors (shoe and reaction). Additionally, in this study vector coding was done (Heiderscheidt et al. 2002). Results: On 3rd generation artificial turf, traction properties influenced performance aspects of players and loads acting on the players’ body. Plane distributed sole configurations like hard ground and artificial turf design enabled the players to run faster through a traction course compared to aggressive sole configurations. Faster running times were well reflected by players’ perception. Plane distributed sole configurations were also perceived to be better suited on artificial turf. Additionally, these sole configurations provoked statistically higher biomechanical shear forces. High mechanical traction properties did not automatically lead to better performance aspects of the players. During dynamic changes of direction, too low traction properties provoked more vertical alignment with respect to perpendicular of the lower extremities and lower joint moments. High and excessive traction properties displayed a relative fixed shoe-ground interface as well as high joint moments during dynamic changes of direction. Movement adaptations with regard to soccer boots were primary shown in the distal part of the lower extremities. Reactive movement patterns showed an unsuited foot and leg placement at initial ground contact based on a longer phase of reaction compared to active movement patterns. This unsuited foot and leg placement was shown by reduced tibial rotation and foot adduction through new running direction. During turning this unsuited foot and leg placement were primary corrected by an increased ankle eversion angle. Additionally, higher knee and ankle joint moments were observed for reactive movement patterns. Differences in movement patterns for sole configurations, which are pretty similar in composition, were not found during reactive movements. Discussion: Sole configurations influence movement patterns and movement strategies on artificial turf. Low traction properties indicate more cautious movement behaviour due to risk of slipping, too high traction, implicated by high foot fixation of the player with the surface, indicate also more cautious movement behaviour. Referring the concept of Fong et al. (2009) plane distributed sole configurations provoke higher biomechanical utilized traction. In contrast, pronounced sole configurations with long studs provoke high mechanical available traction. However, these high and excessive mechanical traction properties disabled the subjects to perform with their best capacity. Therefore, plane and evenly distributed sole configurations showed positive aspects for performance and loads acting on the players’ body on 3rd generation artificial turf. Therefore, high biomechanical shear forces produce faster stops or more dynamic propulsion, which influence the performance positively during dynamic changes of direction. Running times through traction courses (Krahenbuhl 1974, Sterzing et al. 2009) and biomechanical shear forces (Valiant 1988, Morag & Johnson 2001, Shorten et al. 2003) were suited variables to detect traction properties according to performance. Penetration of studs into the ground as well as distribution of studs (distance between fore- and rearfoot studs) may play an influencing role on traction properties for soccer boots. Joint moments and horizontal foot translation are suited indicators for the loads acting on lower extremities during dynamic changes of direction (Torg & Quedenfeld 1971, Ryder et al. 1997). Thereby, sole configurations with too high mechanical traction show a combination of decreased horizontal foot translation and increased joint moments. These adaptation processes based on traction properties of soccer boots are primary shown in distal part of the lower extremities. There might be a linkage to reports showing ankle injuries are most common in soccer (Ekstrand et al. 2006). Additionally, reactive movement patterns may be another risk factor for injuries in soccer (Besier et al. 2001a). Due to time constraint for reactive movement patterns the foot and leg placement of the lower extremities are rotated to a lesser extend in new running direction compared to active movement patterns. This unprepared foot and leg placement were primary compensated by an increased eversion at ankle. This compensation might mean increased ankle loadings (Giza et al. 2003). In general it has been showed that pretty similar sole configurations only differ marginal with regard to traction properties during subjects testing. A combination of several adaptation processes, which levelled out in sum, might overshadow traction properties of marginal different sole configurations. A combination of motor performance, perception, biomechanical and mechanical testing allow to give a generally statement about traction properties of sole configurations on artificial turf. Conclusion: Traction properties, modifiable by different sole configurations, could play an influencing role for performance aspects of the players and for the loads of the lower extremities. On 3rd generation artificial turf plane and evenly distributed sole configurations work better than pronounded sole configurations. Loads of the lower extremities could be increased by reactive movement patterns.

Cacti (Cactaceae) represent a family of highly specialized angiosperm plants with a native range of distribution restricted to the American continents. Columnar cacti of the sub-family Cactoideae evolved in adaptation to their arid or semi-arid habitats characteristics that distinguish them from most other dicot plants, e.g. the stem succulence with a strongly vascularized storage parenchyma and the presence of the spine wearing areoles. Although cacti have been in cultivation since the discovery of America, some studies even suggest the agricultural use in pre-colombian times, and many scientific investigations were carried out on the functional morphology and anatomy with regard to biomechanical adaptations of the found structures, no research focused on the branch-stem attachment. The most conspicuous features of such a ramification are the pronounced constrictions at the branch-stem junctions that are also present in the lignified vascular structures within the succulent cortex. Based on Finite Element Analyses of ramification models it could be demonstrated that these indentations in the region of high flexural and torsional stresses are not regions of structural weakness, e.g. allowing vegetative propagation. On the contrary, they can be regarded as anatomical adaptations to increase the stability by fine-tuning the stress state and stress directions in the junction along prevalent fiber directions. The development of the woody support structure within the succulent cortex of the parental shoot can be traced back to the leaf and bud traces of the dormant axillary buds. Surprisingly, these initials also develop into another woody structure supporting the flowers of the cacti. As these two support structures differ significantly in their macroscopic and microscopic anatomy and as they develop from the same initial state as leaf/bud traces, another objective of this work was to analyze the secondary growth of the two structures with traditional botanic investigation methods. The results of these investigations reveal a wood dimorphism consisting of an early parenchymatous phase followed later by fibrous wood in both kind of support structure. In vegetative branches, the woody support structures have the typical ringlike arrangement as found in the stele of the parental shoot, whereas the flower support structures have a reticular arrangement of interconnected woody strands. This fundamentally different anatomy of the support structures results from the formation of an interfascicular cambium between the leaf/bud traces when a vegetative branch forms or its absence in the case of a flower. After shedding light on the functional morphology and anatomy of the cactus ramification and their development the question arises if the found load adaptation strategies may serve to improve technical fiber composite structures analogue to the design recommendation developed from the biomechanical analyses of tree ramifications. Such a biomimetic transfer from the cactus ramification as biological role model to a technical implementation and the adaptation of the fine-tuned geometric shape and arrangement of lignified strengthening tissues might contribute to the development of alternative concepts for branched fiber-reinforced composite structures within a limited design space.

No description available.