Simulation von Bandscheibenverhalten
Die menschliche Wirbelsäule, das so genannte Rückgrat, besteht aus miteinander verbundenen knöchernen Wirbeln. Zwischen den Wirbeln befinden sich flexible, schwammartige Faserbandscheiben mit geleeartigem Kern, die für schmerzfreie Bewegung und Funktion sorgen. Sie absorbieren Belastungen, die bei anstrengender körperlicher Tätigkeit das eigene Körpergewicht um das 9-fache übertreffen können, und gewährleisten gleichzeitig die nötige Flexibilität für alltägliche Bewegungen. Akute Verletzungen und altersbedingte Degeneration der Bandscheiben können zu einer dauerhaften Schädigung des äußeren faserigen Teils der Scheibe (Annulus) führen. Eine Heilung geht nur langsam voran, weil das Bandscheibensystem die größte avaskuläre Struktur (ohne Blutversorgung) im menschlichen Körper ist. Ein neues Modell, das von dem EU-finanzierten Projekt "Multi-scale biomechanical modelling and simulation of the intervertebral disc" (DISCSIM) entwickelt wurde, soll nun Einblick in das Verhalten der Scheiben bei gesunden und kranken Menschen geben und könnte Millionen von Betroffenen neue Behandlungsoptionen bieten. Für detaillierte mikroskopische Strukturinformationen der Scheiben wurden Proben aus dem Schwanz eines Ochsen und der menschlichen Wirbelsäule in verschiedene Medien eingelegt und mittels einer Fräsmaschine Schnitte hergestellt. Gleichzeitig nahmen zwei Mikroskope, die an der Fräsmaschine montiert waren, Bilder jeder Ebene auf. Die Proben wurden anschließend mikromechanischen Tests unterzogen. Derzeit wird die Fixiervorrichtung optimiert und es werden Daten gesammelt, um die elastischen Eigenschaften des Ochsenknochens auf Gewebeebene zu klären und in Computermodelle der Bandscheibe zu integrieren. Anhand experimenteller Daten entwickelten die Forscher ein Multiskalenmodell der Bandscheibe mit dem kommerziell erhältlichen Finite-Element-Analyse-Softwarepaket ABAQUS, das erstmals die Schiebe-, Scher- und Trennspannung zwischen Scheiben berücksichtigt. Scherspannungen kommen als mögliche Ursache für den Funktionsverlust des Annulus in Frage. Eine Ruptur des Annulus könnte zur Herniation der inneren Gallertschicht (Bandscheibenvorfall) führen. Das Modell wurde mit Kompressionsdaten der Ochsenbandscheiben validiert. Parameter des Bandscheibenzwischenraums des DISCSIM-Modell lieferten neue Erkenntnisse zur Biomechanik von Bandscheiben, um künftig sozioökonomische Kosten durch Bandscheibenerkrankungen zu senken. Das Modell wird Wissenschaftlern und Klinikärzten zugute kommen und damit auch Patienten, die unter Skoliose, Rückenschmerzen und Bandscheibendegeneration leiden.
Schlüsselbegriffe
Bandscheibe, Bandscheibendegeneration, biomechanisches Modell, Annulus, Scherspannung