Skip to main content
Log in

Biomechanik der Frakturbehandlung

Biomechanics of fracture treatment

  • Leitthema
  • Published:
Trauma und Berufskrankheit

Zusammenfassung

Hintergrund

Die Heilung von Frakturen wird wesentlich durch die mechanischen Bedingungen in der unmittelbaren Frakturumgebung beeinflusst, welche wiederum von der Art der Frakturstabilisation abhängt.

Biomechanik der Osteosynthese

Die Art und Ausführung einer Osteosynthese bestimmen die Steifigkeit und die Festigkeit des Verbunds aus Osteosynthese und frakturiertem Knochen. Während Erstere den zeitlichen Ablauf der Heilung beeinflussen kann, ist Letztere für die Belastungsfähigkeit der behandelten Extremität entscheidend und lässt Aussagen über den Versagensmechanismus des Osteosyntheseimplantats zu.

Entwicklung optimierter Implantate

Die Anforderungen an eine funktionierende Osteosynthese hängen entscheidend von der Anatomie und der physiologischen Belastung des heilenden Knochens ab und unterscheiden sich zwischen Frakturen im diaphysären und epi-/metaphysären Knochen. Bei diaphysären Frakturen kann die Wahl einer ausreichend dynamischen Osteosynthese über die Bildung eines periostalen Frakturkallus zu einer raschen Heilung führen. Bei Frakturen im Gelenkbereich stellen eine gute Wiederherstellung der Gelenkgeometrie und deren Retention die wesentlichen Aspekte für den Heilungserfolg dar. Basierend auf diesen Vorgaben lassen sich unter mechanischen Gesichtspunkten optimierte Implantate entwickeln und auf ihre sichere und Erfolg versprechende Anwendung untersuchen.

Abstract

Background

The local mechanical environment is one of the key elements for the successful healing of bone fractures.

Biomechanics of osteosynthesis

The choice and implementation of the fracture fixation technique (e.g., the type and performance of the osteosynthesis) determine this mechanical environment. It can be characterized by the stiffness and strength of the bone–implant construct. Bone–implant stiffness primarily determines the temporal course of the healing process by providing the mechanical window for bone formation and bone remodeling. Bone–implant strength on the other hand determines the load-bearing capacity and also influences the failure characteristics of the specific fracture healing construct.

Requirements for osteosynthesis/development of optimized implants

The requirements for successful fracture treatment depend on the anatomy and physiological loading situation of the individual bone. Thus, different requirements have to be respected for treatment of diaphyseal compared to epi-/metaphyseal fractures. Diaphyseal fractures require a certain amount of dynamic interfragmentary movement in order to stimulate secondary healing by periosteal callus formation. Fractures around a joint on the other hand rely on accurate restoration of joint congruity and its retention. Based on these different requirements, osteosynthesis implants can be optimized according to their mechanical performance and safe application for patient treatment.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6
Abb. 7
Abb. 8

Literatur

  1. Augat P, Buhren V (2010) Modernes Implantatdesign für Osteosynthesen bei vorbestehender Osteoporose. Orthopade 39(4):397–406

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  2. Augat P, Margevicius K, Simon J et al (1998) Local tissue properties in bone healing: influence of size and stability of the osteotomy gap. J Orthop Res 16(4):475–481

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  3. Augat P, Simon U, Liedert A, Claes L (2005) Mechanics and mechano-biology of fracture healing in normal and osteoporotic bone. Osteoporos Int [Suppl 2] 16:S36–S43

    Google Scholar 

  4. Augat P, Penzkofer R, Nolte A et al (2008) Interfragmentary movement in diaphyseal tibia fractures fixed with locked intramedullary nails. J Orthop Trauma 22(1):30–36

    Article  PubMed  Google Scholar 

  5. Bottlang M, Doornink J, Fitzpatrick DC, Madey SM (2009) Far cortical locking can reduce stiffness of locked plating constructs while retaining construct strength. J Bone Joint Surg Am 91(8):1985–1994

    Article  PubMed Central  PubMed  Google Scholar 

  6. Bottlang M, Doornink J, Lujan TJ et al (2010) Effects of construct stiffness on healing of fractures stabilized with locking plates. J Bone Joint Surg Am [Suppl 2] 92:12–22

    Google Scholar 

  7. Bottlang M, Lesser M, Koerber J et al (2010) Far cortical locking can improve healing of fractures stabilized with locking plates. J Bone Joint Surg Am 92(7):1652–1660

    Article  PubMed Central  PubMed  Google Scholar 

  8. Bottlang M, Fitzpatrick DC, Lujan TJ et al (2012) Biomechanics and use of far cortical locking in orthopaedic trauma. Orthop Knowledge Online J 10:8

    Google Scholar 

  9. Brug E, Winckler S (1991) A return to callus healing using dynamic osteosynthesis procedures. Principles, indications, complications, X-ray diagnosis of interlocking nailing and dynamic monofixators in comparison with conventional bone plates. Radiologe 31(4):165–171

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  10. Claes LE, Heigele CA (1999) Magnitudes of local stress and strain along bony surfaces predict the course and type of fracture healing. J Biomech 32(3):255–266

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  11. Claes L, Wolf S, Augat P (2000) Mechanische Einflüsse auf die Callusheilung. Chirurg 71(9):989–994

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  12. Fornalski S, Gupta R, Lee TQ (2003) Anatomy and biomechanics of the elbow joint. Tech Hand Up Extrem Surg 7(4):168–178

    Article  PubMed  Google Scholar 

  13. Hungerer S, Penzkofer R, Augat P, Bühren V (2010) Biomechanical comparison of two different locking plate systems with anatomical design for comminuted fractures of the distal humerus. Obere Extremitat 5(3):165–172

    Article  Google Scholar 

  14. Hungerer S, Wipf F, Oldenburg G von et al (2013) Complex distal humerus fractures – Comparison of polyaxial locking and non-locking screw configurations – a preliminary biomechanical study. J Orthop Trauma Jun 3. [Epub ahead of print]

  15. Kregor PJ, Stannard JA, Zlowodzki M, Cole PA (2004) Treatment of distal femur fractures using the less invasive stabilization system: surgical experience and early clinical results in 103 fractures. J Orthop Trauma 18(8):509–520

    Article  PubMed  Google Scholar 

  16. Little RE (1981) STP 731 tables for estimating median fatigue limits. ASTM Special Technical Publication 731. ASTM Publication Code Number (PCN) 04-731000-30. ASTM, West Conshohocken, PA

  17. McKee MD, Veillette CJ, Hall JA et al (2009) A multicenter, prospective, randomized, controlled trial of open reduction–internal fixation versus total elbow arthroplasty for displaced intra-articular distal humeral fractures in elderly patients. J Shoulder Elbow Surg 18(1):3–12

    Article  PubMed  Google Scholar 

  18. Müller MF, Allgöwer M, Schneider R, Willenegger H (1991) Manual of internal fixation, 3. Aufl. Springer, Berlin Heidelberg New York

  19. Pauwels F (1973) Atlas zur Biomechanik der gesunden und kranken Hüfte – Prinzipien, Technik und Resultate einer kausalen Therapie. Springer, Berlin Heidelberg New York

  20. Penzkofer R, Hungerer S, Wipf F et al (2010) Anatomical plate configuration affects mechanical performance in distal humerus fractures. Clin Biomech (Bristol, Avon) 25(10):972–978

    Google Scholar 

  21. Priven SW, Alfonso-Goldfarb AM (2009) Mathematics Ab Ovo: Hans Driesch and Entwicklungsmechanik. Hist Philos Life Sci 31(1):35–54

    PubMed  Google Scholar 

  22. Reemsnyder HS (1969) An examination of the Locati estimation of the fatigue limit. Metallprufung 11(4):109–114

    Google Scholar 

  23. Ricci WM, Loftus T, Cox C, Borrelli J (2006) Locked plates combined with minimally invasive insertion technique for the treatment of periprosthetic supracondylar femur fractures above a total knee arthroplasty. J Orthop Trauma 20(3):190–196

    Article  PubMed  Google Scholar 

  24. Ries ZG, Marsh JL (2013) Far cortical locking technology for fixation of periprosthetic distal femur fractures: a surgical technique. J Knee Surg 26(1):15–18

    Article  PubMed  Google Scholar 

  25. Spiegel PG, VanderSchilden JL (1983) Minimal internal and external fixation in the treatment of open tibial fractures. Clin Orthop Relat Res 178:96–102

    PubMed  Google Scholar 

  26. Uhthoff HK, Poitras P, Backman DS (2006) Internal plate fixation of fractures: short history and recent developments. J Orthop Sci 11(2):118–126

    Article  PubMed Central  PubMed  Google Scholar 

  27. Wehner T, Claes L, Niemeyer F et al (2010) Influence of the fixation stability on the healing time – a numerical study of a patient-specific fracture healing process. Clin Biomech 25(6):606–612

    Article  Google Scholar 

  28. Wehner T, Penzkofer R, Augat P et al (2011) Improvement of the shear fixation stability of intramedullary nailing. Clin Biomech 26(2):147–151

    Article  Google Scholar 

  29. Wolff J (1892/2010) Das Gesetz der Transformation der Knochen. Hirschwald, Berlin 1892 – Reprint 2010, 1. Aufl. Pro Business, Berlin

  30. Wolff J (2010) The classic: on the inner architecture of bones and its importance for bone growth. 1870. Clin Orthop Relat Res 468(4):1056–1065

    Article  PubMed Central  PubMed  Google Scholar 

  31. Wolff J (2010) The classic: on the theory of fracture healing. 1873. Clin Orthop Relat Res 468(4):1052–1055

    Article  PubMed Central  PubMed  Google Scholar 

  32. Yamaji T, Ando K, Wolf S et al (2001) The effect of micromovement on callus formation. J Orthop Sci 6(6):571–575

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

Download references

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt. P. Augat, M. Bottlang und S. Hungerer geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht. Alle nationalen Richtlinien zur Haltung und zum Umgang mit Labortieren wurden eingehalten und die notwendigen Zustimmungen der zuständigen Behörden liegen vor.

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to P. Augat (Ph.D.).

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Augat, P., Bottlang, M. & Hungerer, S. Biomechanik der Frakturbehandlung. Trauma Berufskrankh 15, 232–239 (2013). https://doi.org/10.1007/s10039-013-2038-2

Download citation

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s10039-013-2038-2

Schlüsselwörter

Keywords

Navigation