Seite - 220 - in Stoßprobleme in Physik, Technik und Medizin - Grundlagen und Anwendungen

220 8 AusgewählteAnwendungenvonStoßproblemen Esstellt sichdieFrage,welche(einfachen)mechanischenGrößenzurCharakterisierung der aus der stoßartigen Belastung folgenden Gewebeschädigung notwendig oder hinrei- chend sind.Eine schon längereTraditionhat dabei dieHypothese, dass die (vor demStoß vorhandeneoder inderKollisiondissipierte)EnergieamhöchstenmitderSchädigungkor- reliert21 [104, 105]. So genügt ein einzelner Stoßmit einer Energie von 0,28J, um lokal Arthrose-typischeGewebe-Degradierung zu initiieren [106]. EineEnergie von 1,5J führt bereitszurBildungvonRissen22 [108].TraumatischeBelastungenmitsehrhohenEnergien könnensogar tief imInnerendesGewebeszurRissbildungführen [105].Außerdemwurde berichtet, dass dieLebensfähigkeit derChondrozyten linearmit der Stoßenergie abnimmt [110]. Als kritische Schwelle für den maximalen Kontaktdruck während der Belastung publizierten verschiedeneAutor*innenWerte zwischen 13MPa [111] und 25MPa [108]. Heiner et al. [112]untersuchtendenZusammenhangzwischendemFrequenzspektrumder Kontaktkraft undakutenVerletzungendesGewebes inFallgewichtsversuchenund stellten fest, dass insbesonderediehohenFrequenzanteilemitderGewebeschädigungkorrelieren. Bei großenAnregungsfrequenzen, beispielsweise durchStöße, sinddie zeitabhängigen ModulnvonGelenkknorpelnichtmehrdeutlichkleineralsdiedesdarunter liegendenKno- chens [103]. Schwere stoßartigeBelastungen führen deswegen eher zu einer Schädigung desKnochensalsdesKnorpels [103].Eingeschädigter subchondralerKnochenstört inder FolgeallerdingsauchdenStoffwechseldesKnorpelgewebes [113]. DiebishereinzigeArbeit, inderdiemechanischeundbiochemischeReaktiondesGewe- bes auf die stoßartige Belastung in einem gemeinsamen, gekoppelten mathematischen Modelluntersuchtwurden, istdiePublikationvonKapitanovetal. [114].DieAutor*innen verwendeten zurBehandlung desKontaktproblems ein FEM-basiertesModell; dasKnor- pelgewebemodellierten sie dabei allerdings als linear-elastischesMedium. Dies ist eine sehrgrobeVereinfachungdes tatsächlichenMaterialverhaltens.Hierbestehtalsonochsehr viel Spielraum für kontaktmechanisch rigorosereModelle; in diesemZusammenhang sei abschließendaufdiehervorragendeMonografievonArgatovundMishuris [115] zurKon- taktmechanikvonKnorpelgewebehingewiesen. 8.7 Zusammenfassung Stöße tretenhäufiger in technischen, biologischenoder biotechnologischenSystemenauf, als man denkt. Da jede kurze Belastung mit sehr großen Lastraten „stoßartig“ ist, und es mithin keine Rolle spielt, ob sie zwischen unverbundenen Teilen eines Systems (wie beiklassischenKollisionen)oderzwischenverbundenenKomponenten(wiebeiGelenken) auftritt,sindStößesehrallgemeineProzesse,dieineinerVielzahlphysikalischer,technischer odermedizinischerAnwendungenvonBedeutungsind. 21DaspasstauchzuenergiebasiertenVerschleißgesetzenfür technischeSysteme, sieheAbschn.8.1. 22DieseRisse sind in einemWinkel von45◦ orientiert [108].Das spricht dafür, dass diemaximale Scherspannung für ihreBildungundAusbreitungbestimmend ist [109].