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Kontinuumsmechanische Modellierung von Gelenkknorpel unter physio-dynamischer Kontaktbeanspruchung:

Die hohen dynamischen Kontaktbelastungen, denen die dünnen hyalinen Knorpelschichten in synovialen Gelenken ausgesetzt sind, können trotz des durch die Gelenkflüssigkeit gebildeten hydrodynamischen Schmierfilms degenerative Veränderungen in dem avaskulären Knorpelgewebe hervorrufen. In diesem Zusammenhang ergibt sich das herausfordernde Ziel, das genaue Zusammenspiel der artikulierenden Gelenkknorpel und der synovialen Flüssigkeit theoretisch und numerisch zu untersuchen, um so ein genaueres Verständnis für pathologische Situationen entwickeln und die Wirkung von Therapiemaßnahmen besser beurteilen zu können. Im Vordergrund des vorliegenden Projekts steht hierbei die möglichst realitätsnahe Modellierung der Knorpelgewebsschichten unter Berücksichtigung aller wesentlichen Heterogenitäten und Nichtlinearitäten. Eine genauen Beschreibung des biomechanischen Tragverhaltens von Gelenkknorpel dessen mehrphasiger Aufbau unter Einbeziehung hydraulischerund chemomechanischer Effekte ist berücksichtigt, welcher in Kombination mit der speziellen Kollagenfaserarchitektur zu der ausgeprägten Druckbelastbarkeit des Gewebes führt. Die Entwicklung und Anpassung der hierfür notwendigen Methoden sowohl auf Seiten der theoretischen Modellbildung als auch der numerischen Simulation sind Gegenstand des Forschungsprojekts.

Abb. 1: Hüftgelenksmodell (links: porositätsprofil, rechts: von Mises Spannungsprofil)

Abb. 2: Mobile Last auf der Knorpeloberfläche des Hüftkopfes (links: von Mises Spannungsprofil, rechts: stereographische Projektion der Spannungen)

Wissenschaftlicher Mitarbeiter: J. Mabuma


Betreuer: B. Markert, W. Ehlers


Projekttyp: DFG Forschungsprojekt (Ma 2233/4-1 )


Projektbezogene Publikationen:
[1] Ehlers, W.: Challenges of porous media models in geo- and biomechanical engineering including electro-chemically active polymers and gels. International Journal of Advances in Engineering Sciences and Applied Mathematics 1 (2009), 1–24.
[2] Ehlers, W.; Karajan, N. & Markert, B.: An extended biphasic model for charged hydrated tissues with application to the intervertebral disc. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology 8 (2009), 233–251.
[3] Ehlers, W.; Markert, B. & Röhrle, O.: Computational continuum biomechanics with application to swelling media and growth phenomena. GAMM-Mitteilungen 32 (2009), 135–156.
[4] Mabuma, J.; Markert, B. & Ehlers, W.:Continuum-Mechanical Modelling of Hip Cartilage under Physio-Dynamical Loading. GAMM-Mitteilungen 10 (2010), 693–694.
[5] Markert, B.: A biphasic continuum approach for viscoelastic high-porosity foams: Comprehensive theory, numerics, and application. Archives of Computational Methods in Engineering 15 (2008), 371–446.
[6] Markert, B.; Heider, Y. & Ehlers, W.: Comparison of monolithic and splitting solution schemes for dynamic porous media problems. International Journal for Numerical Methods in Engineering 82 (2010), 1341–1383.
[7] Markert, B.; Monastyrskyy, B. & Ehlers, W.: Fluid penetration effects in porous media contact. Continuum Mechanics and Thermodynamics 20 (2008), 303–315.

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