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.
Literatur
Augat P, Buhren V (2010) Modernes Implantatdesign für Osteosynthesen bei vorbestehender Osteoporose. Orthopade 39(4):397–406
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claes L, Wolf S, Augat P (2000) Mechanische Einflüsse auf die Callusheilung. Chirurg 71(9):989–994
Fornalski S, Gupta R, Lee TQ (2003) Anatomy and biomechanics of the elbow joint. Tech Hand Up Extrem Surg 7(4):168–178
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
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]
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
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
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
Müller MF, Allgöwer M, Schneider R, Willenegger H (1991) Manual of internal fixation, 3. Aufl. Springer, Berlin Heidelberg New York
Pauwels F (1973) Atlas zur Biomechanik der gesunden und kranken Hüfte – Prinzipien, Technik und Resultate einer kausalen Therapie. Springer, Berlin Heidelberg New York
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
Priven SW, Alfonso-Goldfarb AM (2009) Mathematics Ab Ovo: Hans Driesch and Entwicklungsmechanik. Hist Philos Life Sci 31(1):35–54
Reemsnyder HS (1969) An examination of the Locati estimation of the fatigue limit. Metallprufung 11(4):109–114
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
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
Spiegel PG, VanderSchilden JL (1983) Minimal internal and external fixation in the treatment of open tibial fractures. Clin Orthop Relat Res 178:96–102
Uhthoff HK, Poitras P, Backman DS (2006) Internal plate fixation of fractures: short history and recent developments. J Orthop Sci 11(2):118–126
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
Wehner T, Penzkofer R, Augat P et al (2011) Improvement of the shear fixation stability of intramedullary nailing. Clin Biomech 26(2):147–151
Wolff J (1892/2010) Das Gesetz der Transformation der Knochen. Hirschwald, Berlin 1892 – Reprint 2010, 1. Aufl. Pro Business, Berlin
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
Wolff J (2010) The classic: on the theory of fracture healing. 1873. Clin Orthop Relat Res 468(4):1052–1055
Yamaji T, Ando K, Wolf S et al (2001) The effect of micromovement on callus formation. J Orthop Sci 6(6):571–575
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
Corresponding author
Rights 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
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s10039-013-2038-2