Biomechanische Charakterisierung von degenerativ veränderten Menisken und hyalinem Gelenkknorpel am humanen Kniegelenk

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, zum einen die durch eine Osteoarthrose hervorgerufen biomechanische Veränderungen in degenerierten lateralen Menisken und tibialem Gelenkknorpel zu charakterisieren, zum anderen die Beziehung der beiden Gewebe im Rahmen der Pathogenese der Gonarthrose zu erforschen. Zudem sollte die Etablierung einer Magnetresonanzspektroskopie als nicht-invasives Verfahren zur Detektion biochemischer Veränderungen im Knorpel, sowie einer Dynamisch Mechanische Analyse (DMA) erfolgen. Letztere erlaubte die Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften eines Materials. Die dabei erhobenen Daten sollten gemeinsam mit den Ergebnissen einer vorherigen Dissertation die Grundlage einer Datenbank für das biomechanische Verhalten unterschiedlich degenerierter Menisken und tibialem Gelenkknorpel bilden. Dazu wurden die lateralen Menisken sowie das korrespondierende Tibiaplateau von 49 Patienten mit diagnostizierter Gonarthrose und Implantation einer Knie-Totalendoprothese asserviert. Das Gewebe wurde zunächst in unterschiedliche Teilregegionen und Degenerationsgrade (radiologisch, makroskopisch, mikroskopisch) eingeteilt. Im Rahmen einer biomechanischen Charakterisierung wurden zylindrische Proben einer jeden Meniskusregion und des darunterliegenden Knorpels entnommen. An diesen Proben wurde ein Relaxationsversuch durchgeführt und daraus das Equilibriumsmodul und die hydraulische Permeabilität ermittelt. Danach wurden diese einer DMA unterzogen, aus welcher das Speichermodul, das Verlustmodul und der Verlustfaktor ermittelt wurden. Im Anschluss erfolgte eine Lyophilisation zur Bestimmung des Wassergehalts. Eine Zugprüfung entlang des Kollagenfaserverlaufs in der äußeren Zirkumferenz diente zur Bestimmung der Reißfestigkeit, der maximale Dehnung und des Elastizitätsmoduls der Menisken. Um Zusammenhänge zwischen der Degeneration von Meniskus und Knorpel, aber auch zwischen den verschiedenen Klassifikationssystemen, den biomechanischen Parametern (EEq, k, σmax, Ɛmax, E) sowie dem Wassergehalt zu finden, wurden eine Analyse auf bestehende Korrelationen durchgeführt. Die Etablierung der Magnetresonanzspektroskopie, an separat entnommenen Proben der inneren Zirkumferenz, war aufgrund der Probengröße und einer daraus resultierenden insuffizienten Magnetfeldhomogenisierung nicht erfolgreich. Mit Hilfe der durchgeführten Materialcharakterisierung konnte nachgewiesen werden, dass im Zuge der degenerativen Veränderungen von Meniskus und Knorpel beide Gewebe deutlich weicher werden, der Wassergehalt ansteigt und die hydraulische Permeabilität, zumindest im Meniskus, zunimmt. Die Belastungsfähigkeit des Meniskus auf Zug scheint jedoch nicht kompromittiert. Die Etablierung der DMA für hyalinen Knorpel und Menisken gelang zufriedenstellend. Dies ist damit, nach Kenntnis der Autorin, die erste Arbeit, in der degenerierte humane Menisken einer DMA unterzogen wurden. Hinsichtlich der Steifigkeit und der regionsspezifischen Unterschiede konnten die Veränderungen bei Degeneration der quasi-statischen Tests bestätigt werden. Unterschiede zwischen den verschiedenen Regionen scheinen sowohl im Knorpel als auch im Meniskus bei steigender Degeneration abzunehmen, bis es zu einem Angleichen der Eigenschaften kommt. Die dämpfenden Eigenschaften des Meniskusgewebes scheinen nicht von den degenerativen Veränderungen beeinflusst zu werden. Nach der durchgeführten Korrelationsanalyse gab es weder einen Zusammenhang zwischen der Degeneration von Meniskus und dem darunter liegenden Knorpel noch zwischen den einzelnen Klassifikationssystemen der Menisken. Dies gibt Anlass zu der Annahme einerseits einer unzureichenden Validität oder Genauigkeit der Klassifikationssysteme, andererseits einem etwaigen Fehler der vorliegenden Studie. Auch konnten keine Korrelationen zwischen dem Equilibriumsmodul sowie der hydraulischen Permeabilität sowohl hinsichtlich des Meniskus als auch des Knorpels entdeckt werden. Es bestehen jedoch diverse Einflussfaktoren, wie das Alter, Geschlecht, Pathogenese der Arthrose oder vorherige Therapieversuche, die einen relevanten Einfluss auf die Ergebnisse haben könnten und in dieser Arbeit nicht erhoben wurden. Eine leichte Korrelation konnte lediglich zwischen der Permeabilität und dem Wassergehalt des Knorpels gefunden werden. Wider Erwarten konnte ein gleicher Zusammenhang nicht für den Meniskus gefunden werden. Hier könnten sowohl die oben genannte als auch testspezifische Störfaktoren, wie zum Beispiel Erschütterungen im Raum, eine Rolle gespielt haben.