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In einer gemeinsamen Forschungsarbeit der Universität Bayreuth mit der Universität Erlangen-Nürnberg, der Brno University of Technology, dem Rush University Medical Center und der Palacky University Olomouc wurden die Schmierungsmechanismen in einer Knie-Totalendoprothese untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden jetzt in einem zweiteiligen Artikel in der Zeitschrift „Tribology International“ veröffentlicht. In Teil 1 werden die experimentellen Untersuchungen an einem dafür entwickelten Implantatprüfstand vorgestellt und Teil 2 behandelt die numerische Simulation der Implantate.

Knie-Endoprothesen stellen eine effektive Behandlungsmöglichkeit dar, um die Funktionalität des Kniegelenks nach unterschiedlichen Erkrankungen, wie beispielsweise einer Gonarthrose, wiederherzustellen. Trotz der immer besser werdenden Implantate ist deren Standzeit in vielen Fällen durch eine aseptische Lockerung beschränkt, die durch den Verschleiß des oft aus Polyethylen bestehenden tibialen Inlays hervorgerufen werden kann. Um effektive Maßnahmen zur Verschleißreduktion und damit zu einer verbesserten Standzeit entwickeln zu können, ist zunächst ein besseres Verständnis für die im Kontakt vorliegenden tribologischen Effekte notwendig.

Zu diesem Zweck wurden die Schmierungszustände im Implantat über den Gangzyklus hinweg an einem eigens dazu entwickelten Implantatprüfstand untersucht. Die Schmierfilmhöhe wurde dabei mittels optischer Messung an einem transparenten tibialen Kunststoff-Inlay ermittelt, wobei künstliche Synovialflüssigkeiten mit Fluoreszenzmarkern verwendet wurden. Aus der Untersuchung der einzelnen Bestandteile der Synovialflüssigkeit (z.B. γ-Globulin, Albumin und Hyaluronsäure) konnte ein besseres Verständnis für die Mechanismen der Schmierfilmausbildung im Implantat erlangt und ein neues Schmierfilmmodell vorgeschlagen werden, in dem die Ausbildung von γ-Globulin-haltigen Grenzschichten an den Implantatoberflächen und einer dazwischenliegenden niedrigviskosen Albumin-haltigen Schicht beschrieben ist. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein numerisches 3D-Simulationsmodell entwickelt, um den vorliegenden weichen thermo-elastohydrodynamischen-Kontakt (TEHD-Kontakt) möglichst exakt beschreiben zu können. Dazu wurden neben dem transienten Beanspruchungskollektiv aus dem Gangzyklus auch die nicht-newtonschen Fluideigenschaften der Synovialflüssigkeit sowie veränderliche Geometrieparameter und thermische Einflüsse berücksichtigt. Die Simulation zeigte dabei eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Prüfstandergebnissen. Weiterhin wurde der Einfluss unterschiedlicher Modellierungsstrategien untersucht. Während die Einflüsse einer finiten Inlaydicke und thermischer Effekte nur einen sehr geringen Effekt auf die Schmierfilmausbreitung hatten, erwiesen sich vor allem unterschiedliche Geometrien und die exakte Fluidbeschreibung als wichtig für eine präzise Simulation der Kontaktbedingungen. Die vorliegende Studie stellt somit einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis der Schmierungszustände in einem Knieimplantat dar und zeigt aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment eine geeignete Möglichkeit auf, diese auf effiziente Weise anhand numerischer Simulationen untersuchen zu können.

Den vollständigen Beitrag „Towards the understanding of lubrication mechanisms in total knee replacements – Part I: Experimental investigations“ (DOI: 10.1016/j.triboint.2021.106874) unter Autorenschaft von David Nečas, Martin Vrbka, Max Marian, Benedict Rothammer, Stephan Tremmel, Sandro Wartzack, Adéla Galandáková, Jiří Gallo, Markus A. Wimmer, Ivan Křupka und Martin Hartl finden Sie hier.

Den vollständigen Beitrag „Towards the understanding of lubrication mechanisms in total knee replacements – Part II: Numerical modeling“ (DOI: 10.1016/j.triboint.2020.106809) unter Autorenschaft von Max Marian, Christian Orgeldinger, Benedict Rothammer, David Nečas, Martin Vrbka, Ivan Křupka, Martin Hartl, Markus A. Wimmer, Stephan Tremmel und Sandro Wartzack finden Sie hier.