Multiskalenexperimente, -modellierung und -validierung des Meniskus – eine Methodenstudie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr. Tobias Siebert
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554365017

Menisken sind für die komplexe Mechanik des Kniegelenks von entscheidender Bedeutung. Sie spielen z.B. eine wichtige Rolle bei der Gelenkschmierung, der Lastverteilung und der Gelenkstabilität. Die keilförmigen Menisken sind mehrschichtig aufgebaut und erhöhen die Kongruenz zwischen den konvexen Femurkondylen und dem relativ flachen Tibiakopf. Dadurch schützen sie den Gelenkknorpel vor übermäßiger axialer Belastung und Abrieb. Trotz der großen Bedeutung der Menisken für die Lokomotion existiert bisher kein skalenübergreifendes Modell, welches das mechanische Verhalten des Meniskus auf verschiedenen Ebenen (von der Mikro- über die Gewebe- bis zur Organebene) beschreibt und valide Vorhersagen über die Belastbarkeit, Verformung und Mechanobiologie der Menisken ermöglicht. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Validierung eines biphasischen hyperporo-viskoelastischen Mehrskalenmodells zur Vorhersage des Materialverhaltens von Meniskusgewebe des Schweins. Dabei konzentriert sich das Forschungsvorhaben explizit auf die methodische Entwicklung von experimentellen und numerischen Methoden, die zukünftig auch auf Menisken anderer Spezies angewendet werden können. Die Umsetzung dieses Ziels erfolgt in mehreren Schritten, die durch eine enge Verknüpfung von Experiment und Modellierung gekennzeichnet sind. In einem ersten experimentellen Schritt werden gezielte experimentelle Untersuchungen an Meniskuswürfeln auf der µm-Skala (Probenkantenlänge ca. 200 µm) durchgeführt, die aus mechanischer Sicht eine hohe Schichtauflösung erlauben. Mechanische Untersuchungen auf der mm-Skala bilden den zweiten Arbeitsschritt und erlauben Rückschlüsse auf die Interaktion der Gewebekomponenten/Schichten. Zur Erfassung der Materialeigenschaften des Meniskusgewebes werden Permeabilitätsuntersuchungen in Kombination mit mikrostrukturellen Untersuchungen durchgeführt. In Experimenten am intakten Gesamtmeniskus wird das Zusammenwirken der Teilkomponenten unter definierten Belastungen untersucht. Dabei liefern Indentationsexperimente Daten zu den lokalen Materialeigenschaften und zur Meniskusdeformation. In Experimenten am kompletten Kniegelenk werden die Druckverteilungen während geführter Roll-Gleit-Bewegungen erfasst. Auf Basis dieser Daten soll das zu entwickelnde Meniskusmodell in mehreren Schritten validiert werden, wobei der Komplexitätsgrad schrittweise erhöht wird. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchzuführenden skalenübergreifenden Experimente ermöglichen neben einem verbesserten Verständnis der im Meniskus vorherrschenden Lastübertragungsmechanismen eine rigorose Validierung des zu entwickelnden Modells. Das Multiskalenmodell wird präzisere Aussagen zur Mechanobiologie, Funktion und Belastbarkeit von Menisken ermöglichen und stellt somit zukünftig einen methodischen Ansatz zur Charakterisierung und Beschreibung des Meniskusverhaltens anderer Spezies und Zustände (z.B. Einfluss von Alter, Überlastung und Verletzung) dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen