Hochdynamisches Prüfsystem zur biomechanischen Charakterisierung von Knorpel und seinen Regeneraten

Zusammenfassung

Für die lokale Behandlung von Knorpeldefekten werden regenerative Therapieverfahren beim Patienten bereits angewendet. Zukünftig sollen nach einer Richtlinie der Europäischen Arzneimittelagentur (EMA) die Regenerate im Zuge der Qualitätssicherung auch in ihren strukturellen Eigenschaften analysiert werden. Um die komplexen biphasischen und viskoelastischen Eigenschaften von Gelenkknorpel bzw. Knorpelregeneraten detailliert erfassen zu können, ist ein hochdynamisches Prüfsystem z. B. zur Analyse des Erholungsverhaltens nach Kompression mit Beschleunigungen von bis zu 50 m/s² realisiert worden. Damit die Proben in einem biologisch angepassten Umfeld untersucht werden können, bedarf es speziell konstruierter Aufnahmesysteme. Ein umfassendes Softwarepaket, bestehend aus graphischer Bedienoberfläche, echtzeitfähiger Antriebsregelung, Plausibilitätskontrolle und Sicherheitslogik, bietet die Möglichkeit, hochstandardisierte Prüfungen durchzuführen. Neben den Standardreglern für Position und Geschwindigkeit ist auch ein hochperformanter Kraftregler mit Taktung im Kiloherzbereich implementiert. Dadurch sind positionsunabhängige Kraftprofile applizierbar, die neben quasi-statischen auch dynamische Belastungsverläufe ermöglichen.

Abstract

Articular cartilage repair methods, in particular scaffold-based autologous chondrocyte implantation, are already in clinical use. In the coming years, the European guidelines on human cell-based medicinal products by the European Medical Agency (EMA) will extend today’s quality control mechanisms by additional structural analyses. As articular cartilage has complex biphasic and viscoelastic mechanical properties, a high-performance material test system is required and has already been implemented. To characterize the recovery of cartilage and cartilage replacement materials, it is necessary to measure the dynamic recovery profile. A measurement system for an application like this requires an axis acceleration of more then 50 m/s². Furthermore, the test system needs custom-made components to fix the biological specimen while testing. A software package consisting of a graphical user interface and an axis controller leads to highly reproducible tests. The software makes use of a position and velocity controller as well as a force controller at kilohertz speed. While using the high performance force controller it is possible to apply static and dynamic loading profiles that are independent from position or speed set points and signals.