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.
Die Biomechanik des Knochens
MITGLIED IM KOLLEG
von bis
Prof. Dr.-Ing. Areti Papastavrou
Forschungsschwerpunkt:
- Computergestützte Biomechnaik
Betreute Projekte:
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
Betreute Projekte:
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.
