English

The fatigue behaviour of materials is of particular interest for the failure prediction of materials and structures exposed to cyclic loading. For trabecular bone structures only a few sets of lifetime data have been reported in the literature and structural measures are commonly not considered. The influence of load contributions which are not aligned with the main physiological axis remains unclear. Furthermore site and species dependent relationships are not well described. In this study seven different groups of trabecular bone, defined in terms of orientation, species and site were exposed to cyclic compression. In total, 108 fatigue tests were analysed with respect to lifetimes, deformation behaviour and damage accumulation. Furthermore, damage mechanisms were derived from novel measurement methods for the optical strain analysis on the apparent and tissue level. The lifetimes were found to decrease drastically when off-axis loads were applied. Additionally, species and site strongly affect fatigue lifetimes. While the characteristics of cyclic deformation were found to be similar for all groups, large deviations were observed for the fatigue lifetimes. Bovine specimens did reveal higher lifetimes compared to human samples and lifetimes decreased with increasing deviation of the specimens’ axis from the physiological bone axis. Already small deviations cause a large reduction, whereas deviations above 45 degree result in a similar fatigue behaviour. Strains at failure were found to be dependent on specimen orientation (with respect to the physiological bone axis). The whole cyclic deformation process as well as damage evolution until defined failure could be shown to be a function of normalised stress and group. The corresponding functional relationships were derived. Damage acceleration was found to be constant for all specimens and different damage mechanisms are acting for on-axis and off-axis groups. Likewise, load thresholds were found, at which damage mechanisms change from low-cycle to high-cycle fatigue. Age appeared to have a large influence on the initial modulus of the specimens. Deformation analysis on the apparent and the trabecular level could be linked to macroscopic damage and microdamage was found to contribute to residual strain accumulation. Concluding, the axis of loading appears to contribute dominantly to fatigue and cyclic deformation, which may be even more pronounced in cases of increased anisotropy (Osteoporosis). Therefore, local morphological information has to be included in risk of fracture predictions in order to achieve a higher reliability.

Deutsch

Das Ermüdungsverhalten von Materialien ist von grosser Bedeutung für die Beurteilung des Versagensrisikos von Bauteilen und Strukturen die zyklischer Belastung ausgesetzt sind. In Analogie zu technischen Bauteilen können Ermüdungsscäden auch bei Knochen beobachtet werden. Im Gegensatz zu kortikalen Knochen, bei dem das Ermüdungsverhalten weitgehend untersucht ist existieren nur sehr wenige Daten für spongiösen Knochen. In allen verfügbaren Studien wurde die starke Anisotropie der Knochenstruktur nicht berücksichtigt und nur Proben entlang der physiologischen Achse verwendet. Weiter ist der Einfluss von verschiedenen Spongiosa-Arten (human, bovin) sowie des Alters noch nicht geklärt. In dieser Studie wurden sieben Gruppen von Spongiosaproben, insgesamt 108 Proben, unterschiedlich bezüglich der Spezies (human, bovin), des Entnahmeortes (Wirbelkörper, distale Femurkondyle) sowie der Abweichung von der physiologischen Hauptachse hinsichtlich des Verformungsverhaltens unter zyklischer Druckbelastung untersucht. Neben der Analyse des integralen Materialverhaltens wurde ein optisches Verformungsmesssystem verwendet, mit dessen Hilfe die Entwicklung von Dehnungen auf der Probenoberfläche sowie auf Knochenbälkchenebene gemessen wurde. Proben deren Hauptachse nicht mit der physiologischen Hauptachse übereinstimmte zeigten stark reduzierte Lebensdauern. Ebenso haben Spezies sowie der Entnahmeort einen grossen Einfluss auf das Ermüdungsverhalten. Dies war auch der Fall wenn die unterschiedlichen Anfangssteifigkeiten der Proben berücksichtigt wurden. Die Rinderproben zeigten eine höhere Ermüdungsfestigkeit als die menschlichen Proben. Die Lebensdauern reduzierten sich mit grösseren Abweichungen von der physiologischen Hauptachse. Bereits kleine Winkelabweichungen resultierten in einem starken Abfall der Ermüdungsfestigkeit, bei Abweichungen grösser 45 Grad wurden annähernd gleiche Lebensdauern gemessen. Die Versagensdehnungen sind ebenfalls gruppenabhängig und steigen mit steigender Abweichung von der Hauptachse. Das zyklische Verformungsverhaltens konnte ebenso wie die Entwicklung der integralen Schädigung in Abhängigkeit der normalisierten Spannung (Sigma/E0) und der Gruppenzugehörigkeit dargestellt werden. Die entsprechenden mathematischen Zusammenhänge wurden abgeleitet. Verschiedene Schädigungsmechanismen wurden für die Gruppen parallel zur Hauptachse und die Gruppen mit Abweichungen von der Achse gefunden. Das Alter der Spender hatte einen grossen Einfluss auf die Anfangssteifigkeit der Proben und somit auf das zyklische Verformungsverhalten sowie die Lebensdauern. Ein weiterer Einfluss des Alters konnte jedoch nicht gezeigt werden. Die optische Verformungsmessung konnte erfolgreich auf die spongiösen Proben angewendet werden. Die hierbei gefunden lokalen Dehnungskonzentrationen, sowohl auf der (integralen) Probenoberfläche als auch auf der Oberfläche einzelner Trabekel konnten mit dem integralen Verformungsverhalten korreliert werden. So kann gezeigt werden, dass die Entwicklung bleibender Verformungen direkt mit der Bildung und dem Wachstum von Mikrorissen verknüpft ist. Zusammenfassend konnte der starke Einfluss der verschiedenen Spongiosa-Arten auf die Versuchsergebnisse gezeigt werden. Bereits geringe Abweichungen von der physiologischen Hauptachse resultieren in einer starken Abnahme der Ermüdungsfestigkeit. Bedingt durch den Anstieg der Anisotropie in älteren Knochen wird dieser Effekt noch weiter verstärkt. Deshalb ist gerade bei der Abschätzung des klinischen Versagensrisikos die Berücksichtigung von Strukturkennwerte unabdingbar um die Genauigkeit der Methoden zu erhöhen. Mit den abgeleiteten Funktionen für die Entwicklung der Verformungen sowie der Schädigung und zyklischer Belastung stehen wichtige Werkzeuge zur Verfügung, welche direkt in numerischen und analytischen Studien verwendet werden können.