Finite-Elemente-Analyse einer zementierten, keramischen Femurkomponente unter Berücksichtigung der Einbausituation bei künstlichem Kniegelenkersatz / Finite element analysis of a cemented ceramic femoral component for the assembly situation in total knee arthroplasty
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Christine Schultze
Zusammenfassung
In der Knieendoprothetik werden standardmäßig Femurkomponenten aus Metall verwendet. Im Vergleich versprechen keramische Femurkomponenten verbesserte tribologische und allergologische Eigenschaften. Bei der Verwendung keramischer Implantate besteht jedoch das Risiko einer Schädigung als Folge von Spannungsspitzen. Dies muss durch suffizientes Design, korrekte Werkstoffzusammensetzung und optimale Kraftübertragung zwischen Implantat und Knochenlager mittels Knochenzement minimiert werden. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Zementschichtdicke auf die Spannungsverteilung in der keramischen Femurkomponente und dem femoralen Knochenlager untersucht. Dazu wurden zweidimensionale und dreidimensionale Finite-Elemente-Analysen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Zementschichtdicken und einer ungleichmäßigen Zementschichtdickenverteilung durchgeführt. Die höchsten Hauptspannungen zeigten sich an der Innenseite der keramischen Femurkomponente im Bereich der Krafteinleitung und an der Medianebene. Die aufgetretenen Höchstspannungen lagen unterhalb der bekannten Bruchfestigkeiten für keramische Implantatmaterialien. Die Untersuchungen zeigten in der Femurkomponente geringere Spannungen bei einer Zementschichtdicke unter 2,0 mm.
Abstract
The femoral components of total knee replacements are generally made of metal. In contrast, ceramic femoral components promise improved tribological and allergological properties. However, ceramic components present a risk of failure as a result of stress peaks. Stress peaks can be minimised through adequate implant design, proper material composition and optimum force transmission between bone and implant. Thus, the quality of the implant fixation is a crucial factor. The objective of the present study was to analyse the influence of the cement layer thickness on stress states in the ceramic femoral component and in the femur. Two- and three-dimensional finite element analyses of an artificial knee joint with cement layers of different thickness and with an unbalanced cement layer thickness between the ceramic femoral component and the femur were performed. Higher stress regions occurred in the area of force transmission and in the median plane. The maximum calculated stresses were below the accepted tensile strength. Stresses were found to be lower for cement layer thickness of <2.0 mm.
©2007 by Walter de Gruyter Berlin New York
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