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Fragestellung: Die biomechanische Charakterisierung des physiologischen Knorpels vs. Knorpelregenerate ist für die Qualitätssicherung im Tissue Engineering von zunehmender Bedeutung. Für die Erfassung der Materialeigenschaften ist dabei eine exakte Dickenbestimmung des Knorpels essentiell [1]. Hierbei kommen invasive (z.B. Nadelindentation) und nicht-invasive Verfahren wie der A-Mode Ultraschall (US) zum Einsatz [2], [3]. Allerdings ist die Genauigkeit von US-Messungen abhängig von einer exakten Kenntnis der Schallleitungsgeschwindigkeit in der Probe [4]. Ziel der Untersuchung ist es, die Genauigkeit der Knorpeldickenbestimmung mit einer nicht-invasiven US-Sonde im Vergleich zur Nadelindetation zu evaluieren.

Methodik: Vier Prüfaufbauten wurden verwendet, um die Messmethodik zu verifizieren. Als Probekörper kamen Knorpel-Knochenkonstrukte mit Ø=9 mm und Länge=10 mm aus dem ovinen Knie zum Einsatz. Alle Proben wurden in physiologischer Ringerlösung bei –28°C tiefgefroren, 6 Stunden vor der Untersuchung bei 4°C aufgetaut und feucht gehalten. Mit dem ersten Messaufbau (n=76) wurde die Knorpeldicke im Knorpel-Knochenkonstrukt in Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit gemessen (US-Messgerät 38DL PLUS, 15 MHz-Messkopf V260 RM, beide Olympus NDT Québec/CA). Als zweite Dickenbestimmung kam eine Nadelindentation (n=76) zum Einsatz (Universalprüfsystem zwicki1120, Zwick Ulm/DE und 20 N-Kraftaufnehmer KAP-S, A.S.T Dresden/DE) (Abbildung 1 [Abb. 1]). Für die dritte und vierte Messung wurden Knorpelscheiben von der knöchernen Basis abgetrennt. Dabei konnte die Dicke ebenfalls mit dem US-System gegen einen Stahlgrund gemessen werden (n=25), sowie mit dem Universalprüfsystem über antasten bestimmt werden (n=25).

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Über die Knorpelscheiben konnte die Schallgeschwindigkeit c über den Zusammenhang c=2(x₂ / t₂) mit x₂=angetastete Dicke und t₂=US-Laufzeit (Knorpelscheibe) auf 1700 m/s bestimmt werden und über die Beziehung x_K=k(0,5(c*t₁) zur Auswertung der Knorpeldicke x_k mit t₁=US-Laufzeit im Knorpel-Knochenkonstrukt verwendet werden (Tabelle 1 [Tab. 1]). Die Abweichung zwischen den Messverfahren lag bei 8,68% und einer hochpräzisen Auflösung von unter 90 µm.

Mit dem Nachweis der Ebenbürtigkeit der nicht-invasiven Knorpeldickenmessung bei der Ortsauflösung, kann die US-Methodik in ein vollautomatisiertes Prüfsystem integriert werden. Dadurch können reproduzierbare Messreihen durchgeführt werden und für die Qualitätssicherung bei dem Einsatz von Knorpelregeneraten verwendet werden.