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.

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Es erfolgt eine Knochenstrukturanalyse der proximalen Tibia unter Berücksichtigung verschiedenster radiologischer, biomechanischer und histomorphometrischer Aspekte. Die regionen-, alters- und geschlechtsspezifischen Aspekte dieser Problemregion werden herausgearbeitet. Der eindeutige Nachweis einer regionen-abhängigen Verteilung der Knochendichte und der biomechanischen Eigenschaften in der proximalen Tibia ist eines der Hauptergebnisse der vorliegenden Studie. In der proximalen Tibia besteht eine signifikante Abnahme der Knochendichte von proximal nach distal. Im zentralen Bereich der proximalen Tibia besteht in allen Sektionen im Vergleich zu den anterior/posterior und medial/lateral liegenden Gebieten die niedrigste Knochendichte. In der vorliegenden Studie wurde die proximale Tibia in 3 Etagen (von proximal nach distal) unterteilt. Beim Vergleich der auf diesen Etagen aufgebrachten ROIs (region of interest,jeweils 5 in den beiden proximalen Etagen und 4 im distalen Abschnitt) zeigte sich in den beiden proximalen Etagen lateral (Ebene I anterolateral/ Ebene II posterolateral) die höchste Knochendichte. Im Gegensatz dazu zeigte sich in der distalen Etage anteromedial die höchste Knochendichte. Weiterhin wurden die 3 gängigen Stabilisierungsverfahren für diese Region einer umfangreichen biomechanischen Testung unterzogen. Es zeigte sich, dass der Ilizarov Fixateur bei den verschiedensten Lastfällen meist das instabilste Implantat war. Trotz der biomechanischen Defizite konnten die in der klinischen Studie mit Composite Fixateur versorgten Frakturen trotz erheblichem Weichteilschaden und instabiler Fraktursituation zur Ausheilung gebracht werden. Das LIS-System erwies sich gegenüber der konventionellen Abstützplatte hinsichtlich der biomechanischen Steifigkeit sowohl in der statischen als auch in der zyklischen Testung als gleichwertiges oder sogar biomechanisch günstigeres Implantat. Diese positiven klinischen wie biomechanischen Erfahrungen führen auch zur Förderung der Entwicklung anderer winkelstabiler Fixateur interne-Systeme in den verschiedensten Problemregionen (Pilon tibiale, proximaler und distaler Humerus, distaler Radius). Als wesentliche neue Therapieansätze für das operative Vorgehen in der Problemregion der proximalen Tibia lassen sich die folgenden Gesichtspunkte herausarbeiten: 1) Knochendichteadaptierte Implantat- und Schraubenpositionierung bei der konventionellen Osteosynthese, 2) Knochendichteadaptierte Pin- und Olivendrahtpositionierung bei externen Fixationsverfahren (Ilizarovringfixateur, Fixateur externe) im Bereich der proximalen Tibia, 3) Implantatverbesserungen (LISS-Schraubenkonfiguration und -positionierung, Plattendesign, Umstellungsplatte, Verriegelungsbolzen bei Marknägeln wie UTN, PTN), 4) Prothesenverbesserung (knochendichteadaptiertes Zapfendesign mit 3 Zapfen für die tibiale Komponente). / In this study an analysis of the bone structure of the proximal tibia was performed with special attention paid to the different radiological, biomechanical and histomorphometrical aspects. Region-, age- and gender-specific attributes of the localised bone were also examined. Evidence of a region related variation of bone density and biomechanical behaviour is one of the main results of this study. In the proximal tibia, a significant reduction in the bone density exists from proximal to distal. In comparison to the anterior/posterior or medial/lateral areas, the lowest bone mineral densities were found in the central region. In this study the proximal tibia was divided into 3 different levels (from proximal to distal). When comparing the different regions of interest (ROIs) 5 each in the two proximal levels and 4 in the most distal level), the lateral regions (level 1 anterolateral/ level 2 posterolateral) presented the highest bone mineral density. In contrast, the highest bone density in the distal- level was detected in the anteromedial region. Furthermore, complex biomechanical testing of- 3 common fixation techniques for fracture situations of the proximal tibia was performed. It was shown that the Ilizarov fixator was the most unstable implant in several load tests. Despite this biomechanical deficit fractures treated by composite- fixators in different clinical trails healed uneventfully, even with severe soft tissue damage or an unstable fracture situation. In comparison to the conventional buttress plate, the LIS-System was an equal or superior implant, both in static and cyclic stiffness testing. These clinical and biomechanical experiences lead to the development of other angle stable internal fixator systems for different problematic regions (tibial plafond, proximal and distal humerus, distal radius). The following new therapeutic aspects were developed for the surgical treatment of the proximal tibia: 1) Bone mineral density adapted implant-and screw placement in conventional plating. 2) Bone density adapted pin- and olive wire placement during external fixation (ilizarov ring fixator, external fixator) techniques of the proximal tibia. 3) Improvement of implant design (LISS screw configuration and- placement, plate design, locking bolt configuration in nails). 4) Improvement of prosthetic design (bone density adapted design of the tibial components)

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.