Gewebemechanisches Verhalten des hyalinen Knorpels unter zyklischen Deformationen

Summary

Specimens of cartilage from the ribs of cattle were put between the plates of a material-testing machine. They were tested under various conditions of compression. Deformation-time diagrams were applied as input-functions (input-signals). The samples were compressed by constant deformation rates up to certain degrees of deformation. We used periodical deformation-time functions. As, output signals we determined the compressive force in dependency of time. By comparing the input-and the output-functions, we could draw conclusions on the mechanical behavior of cartilage. We achieved the following results: 1. Periodical, trapezoidal deformation-time input-functions by which the cartilage specimen was compressed up to a certain level caused force-time output-signals; relaxation curves were observed constantly during this period. Relaxation decreased from cycle to cycle. In this case the force level at the beginning of each relaxation first decreased rapidly but then only slightly. Both processes seemed to approach a limiting value, i.e. under uniform, periodically repeated and, forced compressions the compressive stiffness was pronounced at first and then became asymptotically smaller. 2. Similar results were achieved under periodical input-signals up to complete unloading. 3. If a trapezoidal input-signal, as given in case one, was generated with additional triangular signals, we obtained a similar output-signal as in case one, but it seemed as if the approximation to a limiting value was reached earlier. 4. If the deformation was kept constant after partial unloading an asymptotic force regain (mechanical, recovery) arose. The complex mechanical behavior of cartilage seemed to accomodate itself efficiently to the manifoldness of mechanical tasks by its viscoelastic properties. These results can be looked upon as a step forward in research on the biorheological mechanism of hyaline cartilage.

Zusammenfassung

Probestücke vom Rippenknorpel des Rindes wurden zwischen die Kompressionsplatten einer Werkstoffprüfmaschine gelegt. Ihr gewebemechanisches Verhalten wurde unter verschiedenen Kompressionsbeanspruchungen untersucht. Als Eingangsfunktionen (Eingangssignale) gaben wir Deformations-Zeit-Diagramme vor, bei denen die Probestücke mit bereichsweise konstanten Geschwindigkeiten um bestimmte Beträge komprimiert (gestaucht) wurden. Wir gebrauchten periodische Weg-Zeit-Funktionen. Als Ausgangsfunktion (Ausgangssignal) maßen wir die Kompressionskraft in Abhängigkeit von der Zeit. Durch Vergleich von Eingangssignalen mit Ausgangssignalen können wir auf das mechanische Übertragungsverhalten des Knorpels schließen. Wir erhielten folgende Ergebnisse: 1. Periodische, trapezförmige Deformations-Zeit-Eingangsfunktionen, infolge derer das Knorpelstück um einen bestimmten Betrag gestaucht wird, rufen Kraft-Zeit-Ausgangsfunktionen hervor, bei denen sich unter konstanter Stauchung Relaxationskurven beobachten lassen. Die Relaxationen nehmen von Zyklus zu Zyklus ab. Hierbei sinkt die Kraft zu Beginn der Relaxation zunächst stark, dann nur noch geringfügig. Beide Vorgänge scheinen sich einem Grenzwert zu nähern, d.h. unter gleichförmigen, periodisch, wiederkehrenden, erzwungenen Stauchungen wird die Drucksteifigkeit zunächst deutlich, dann asymptotisch kleiner. 2. Ähnliche Ergebnisse erhalten wir bei periodischen Eingangssignalen bis zur jeweils völligen Entlastung. 3. Wenn ein trapezförmiges Eingangssignal wie unter 1., mit jeweils nachgeschalteten, dreiecksförmigen Signalen gleichen Maximalbetrages periodisch vorgegeben wird, erhalten wir ein ähnliches Ausgangssignal wie unter 1., jedoch scheint sich die Approximation an einen Grenzwert schneller zu vollziehen. 4. Halten wir die Deformation nach Teilentlastung konsant, so beobachten wir einen asymptotischen Kraftrückgewinn (mechanische Erholung). Das komplizierte mechanische Verhalten des Knorpels scheint sich in sinnvoller Weise durch dessen viskoelastisches Verhalten den vielfältigen mechanischen Beanspruchungen anzupassen. Die vorliegenden Untersuchungen sollen zur Erforschung dieses biorheologischen Mechanismus beitragen.