Zugl.: Bayreuth, Universiẗat, Diss., 2009.

This study looks at improving reduced platen compression (RPC) specimen preparation procedures by developing a better method for locating the ideal RPC specimen on each bone. These improvements are aimed at decreasing the amount of time required to complete an RPC analysis and improving the quality of the obtained results. High-resolution micro-CT scans are used to gain a better understanding of rat long bone anatomy by quantifying the location, shape, and orientation of the growth plate, primary spongiosa, and secondary spongiosa. Micro-CT analysis shows that there are easily identifiable external landmarks on the anterior side of both tibias and femurs that identify the end of the growth plate and the point at which the top of an ideal RPC specimen should be located. The landmarks are the most proximal tip of the patellar surface for the femur and the base of the tibial tuberosity for the tibia. This study also analyzes the effect of variations in the actual RPC specimen location from the ideal location and the effect of different platen sizes on test results using BMD as a surrogate for mechanical properties. The analysis shows that the BMD increases as the target RPC specimen location approaches the growth plate and decreases on moving away from the growth plate. The study also indicates that consistency is necessary when obtaining RPC specimens to avoid error due to variation from the specified landmark. Additionally, the BMD decreased as the diameter of the platen is reduced. Choosing platen size then becomes a trade off between testing the greatest amount of cancellous bone possible and potentially higher load sharing by the cortical shell with larger platen sizes as well as the risk of compressing cortical bone during the test.

The aim of this master’s thesis is to determine the effective material properties of cancellous bone. In the first part of this work, finite element models are used for numerical homogenization of trabecular structures. It is shown that the applied boundary conditions have a strong influence on the effective material properties. To this end, different boundary condition are opposed and discused. In the second part, the Levenberg-Marquardt method is used to identify the preferred direction. Furthermore, it is shown that cancellous bone can be modelled as a transverse isotropic material. Finally, the homogenized continua are compared with the microstructural models of cancellous bone. / Ziel der Masterarbeit ist die Bestimmung der effektiven Materialparameter von spongiösem Knochen (lat. spongia „Schwamm“). Die numerische Homogenisierung von Trabekelstrukturen erfolgt mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Es wird gezeigt, dass die verwendeten Randbedingungen einen starken Einfluss auf die effektiven Materialparameter ausüben. Die verschiedenen Randbedingungen werden dazu gegenübergestellt und diskutiert. Im zweiten Teil erfolgt mit Hilfe des Levenberg-Marquardt-Verfahrens die Identifizierung von ausgezeichneten Richtungen.Weiterhin wird gezeigt, dass die Spongiosa näherungsweise als transversalisotropes Material modelliert werden kann. Am Ende erfolgt der Vergleich des homogenen Ersatzkontinuums mit dem Mikrostrukturmodell der Spongiosa.

Techn. University, Diss., 2007--Darmstadt.

The aim of this master’s thesis is to determine the effective material properties of cancellous bone. In the first part of this work, finite element models are used for numerical homogenization of trabecular structures. It is shown that the applied boundary conditions have a strong influence on the effective material properties. To this end, different boundary condition are opposed and discused. In the second part, the Levenberg-Marquardt method is used to identify the preferred direction. Furthermore, it is shown that cancellous bone can be modelled as a transverse isotropic material. Finally, the homogenized continua are compared with the microstructural models of cancellous bone. / Ziel der Masterarbeit ist die Bestimmung der effektiven Materialparameter von spongiösem Knochen (lat. spongia „Schwamm“). Die numerische Homogenisierung von Trabekelstrukturen erfolgt mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Es wird gezeigt, dass die verwendeten Randbedingungen einen starken Einfluss auf die effektiven Materialparameter ausüben. Die verschiedenen Randbedingungen werden dazu gegenübergestellt und diskutiert. Im zweiten Teil erfolgt mit Hilfe des Levenberg-Marquardt-Verfahrens die Identifizierung von ausgezeichneten Richtungen.Weiterhin wird gezeigt, dass die Spongiosa näherungsweise als transversalisotropes Material modelliert werden kann. Am Ende erfolgt der Vergleich des homogenen Ersatzkontinuums mit dem Mikrostrukturmodell der Spongiosa.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, inwieweit die pränatale Knochenentwicklung von der Dexamethasongabe beeinflusst wird. Die Glukokortikoidtherapie ist weit verbreitet und ihre Nebenwirkungen sind hinreichend bekannt. Auch die Wirkung auf den Knochenstoffwechsel wurde intensiv erforscht, allerdings nicht in Bezug auf die pränatale Therapie. Die Verabreichung von Dexamethason zur Vorbeugung des Atemnotsyndroms betrieb man zeitweise sehr intensiv. Mit Zunahme der Forschung auf diesem Gebiet, stellten sich allerdings erhebliche Auswirkungen auf die prä- und postnatale Entwicklung der Kinder heraus. Deswegen ist der Einsatz zur RDS-Prophylaxe heute relativ zurückhaltend. Zu diesem Zweck wurden 30 männliche Nachkommen der Spezies Callithrix jacchus, deren Mütter während der Schwangerschaft zu unterschiedlichen Zeitpunkten eine Dexamethasonapplikation erhielten, untersucht. Es erfolgte eine Einteilung in drei Gruppen: frühe Applikation, späte Applikation und in die Kontrollgruppe. Während der ersten beiden Lebensjahre wurden Körpergröße und Körpergewicht in regelmäßigen Abständen dokumentiert. Im Alter von 2 Jahren wurden die Tiere euthanasiert. Als Untersuchungsobjekte dienten Oberschenkel- und Schienbein-knochen. Es wurden die Kortikalisdicke, die Flächenverhältnisse von Trabekeln, rotem Knochenmark und gelben Fettmark analysiert sowie die Knochendichte ermittelt. Die Ergebnisse zeigen eine deutlich reduzierte diaphysale Kortikalisdicke beider Knochen in der Gruppe mit früher Dexamethasonapplikation. In der späten Appli-kationsgruppe dagegen fand man eine stärker ausgeprägte Kortikalis diaphysal, aber eine reduzierte im metaphysalen Bereich. Diese Schwächung kann besonders im Alter Frakturen im Oberschenkelhals begünstigen, vor allem wenn eine hormonell bedingte Osteoporose als Begleiterkrankung hinzukommt. In beiden Versuchsgruppen kann eine deutliche Schwächung der Knochensubstanz im Bereich der Knie, in diesem Fall die Hauptbelastungszone der Tiere, bedingt durch den Vierfüßlergang, nachgewiesen werden. Der Oberschenkel reagiert auf die Dexamethasonapplikation am sensitivsten. Des Weiteren sind Veränderungen der Flächenverhältnissen aufgetreten. Bei der frühen Applikation von Dexamethason ist eine deutlich reduzierte Anzahl an rotem Knochenmark zu finden, während bei der späten Applikation eine vermehrte Anzahl nachweisbar ist. Dies zeigt, dass Dexamethason auch Auswirkungen auf die Blutbildung und das Immunsystem mit sich bringt. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollten dazu anregen, weiter auf diesem Gebiet zu forschen, da die Anzahl an Publikationen noch limitiert ist. Bezüglich der RDS-Prophylaxe ist über eine strengere Indikationsstellung nachzudenken.