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BayWISS-Kolleg Health www.baywiss.de

Projekte im Verbundkolleg Gesundheit

© eliola, Pixabay

Die Biomechanik des Knochens

Laut Weltgesundheitsordnung zählt die Knochendegeneration Osteoporose zu den zehn bedeutendsten Erkrankungen der Gegenwart, und mit ihren Folgekosten zu einer der teuersten. Dabei führt eine Verminderung der Knochendichte zur Reduktion der Knochenfestigkeit und damit auch oft zu Ermüdungsbrüchen. Auch Astronauten weisen aufgrund ihrer zahlreichen Übungen und Einsätze in der Schwerelosigkeit einen Knochenschwund auf. Neben der mechanischen Beanspruchung der Knochen durch Bewegung und Belastung spielt zudem der Stoffwechsel und Hormonhaushalt eine wichtige Rolle. Entscheidende Auswirkungen zeigen diese Komponenten bereits im Kindes- und Jugendalter. Mangelnde Bewegung und schlechte Ernährung bewirken eine minder ausgeprägte Knochendichte im Erwachsenenalter und damit einen Anstieg des Frakturrisikos.
Das Projekt hat zum Ziel, wesentliche Prozesse des Knochenumbaus möglichst realitätsnah zu modellieren und zu simulieren. Mithilfe der Simulation können Prognosen für Implantat-Integration, Frakturrisiko und eventuell nötige Osteoporose-Prophylaxe über kurze und langfristige Zeiträume ermöglicht werden. Das Modell umfasst eine geeignete Formulierung des Remodeling. Im sogenannten Remodeling (bzw. Modeling) bilden Osteoplasten neue Knochensubstanz. Die Bildung neuer Knochenbälkchen (Trabekel) kann durch geeignete Belastung stimuliert werden. Umgekehrt kann mangelnde Bewegung auch zum Abbau der Knochendichte führen. Neben den mechanischen Stimuli soll das Modell auch biologische Stimuli, wie Stoffwechsel und Hormonhaushalt berücksichtigen. Die Implementierung des Modells und die anschließende Simulation von verschiedenen relevanten Belastungszuständen erfolgt mit geeigneten Finiten Element Methoden.

MEMBER IN THE JOINT ACADEMIC PARTNERSHIP

since

Supervisor Technische Hochschule Nürnberg:

Prof. Dr.-Ing. Areti Papastavrou

Forschungsschwerpunkt:

  • Computergestützte Biomechnaik

Projects:

Supervisor Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg:

Prof. Dr.-Ing. Paul Steinmann

Mechanik aus Leidenschaft:
Der Lehrstuhl für Technische Mechanik besteht aus der Professur für Kontinuums­mechanik, der Professur für Strukturmechanik sowie der Arbeitsgruppe Numerische Mechanik. Die Professuren und die Arbeitsgruppe umfassen sowohlin der Lehre als auch in der Forschung jeweils ein Teilgebiet der Technischen Mechanik. Die Technische Mechanik ist ein ingenieurwissenschaftliches Grundlagenfach mit starker Veran­kerung und Vernetzung im Maschinenbau, das sich allgemein mit der Modellierungund Simulation von technologisch rele­vanten Materialien, Prozessen und Systemen beschäftigt.

Forschungsschwerpunkte:

  • Biomechanik
  • Multiskalenmechanik
  • Materialmechanik

 

Projects:

Publikationen

Schmidt I., Albert J., Ritthaler M., Papastavrou A. und P. Steinmann (2021):

Bone fracture healing within a continuum bone remodelling framework. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering, S. 1–11. doi.org/10.1080/10255842.2021.1998465.

Schmidt I., Papastavrou A. und P. Steinmann (2021):

Concurrent consideration of cortical and cancellous bone within continuum bone remodelling. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering, 24(11), S. 1274–1285. doi.org/10.1080/10255842.2021.1880573.

Papastavrou A., Schmidt I., Deng K. und P. Steinmann (2020):
On age-dependent bone remodeling, Journal of Biomechanics.
 
Papastavrou A., Schmidt I. und P. Steinmann (2020):
On biological availability dependent bone remodeling Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering.

Papastavrou A. und I. Schmidt (2019):
Osteo-TrainSim – Entwicklung und Finite-Element-Simulation von zielgerichteten Trainingsmethoden zur Vorbeugung von Osteoporose bedingten Frakturen durch mechanisch stimuliertes Knochenwachstum, Schriftenreihe TH Nürnberg GSO.
 

Vorträge und Präsentationen

Schmidt I. (2021):
GAMM, Kassel, Online-Konferenz.

Schmidt I. (2021):
CMBBE Symposium, Bonn, Online-Konferenz.

Stipendien

  • 01.10.2018-31.3.2019 Stipendium PROmotion Promotionsanschubstipendium
  • 01.04.2019 – 31.3.2020 LaKoF-Stipendium

Preise und Auszeichnungen

  • BayWISS-Preis für „Herausragende oder zukunftsweisende Forschungsleistung im jeweiligen Wissenschaftsbereich, 07.10.2021.
Ina Schmidt

Ina Schmidt

Technische Hochschule Nürnberg

Coordinator

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Dr. Sabine Fütterer-Akili

Dr. Sabine Fütterer-Akili

Koordinatorin BayWISS-Verbundkolleg Gesundheit und BayWISS-Verbundkolleg Ökonomie

Universität Regensburg
Zentrum zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses
Universitätsstraße 31
93053 Regensburg

Telephone: +49 941 9435548
gesundheit.vk@baywiss.de