From model to reality: Experimental and computational insights to bone-implant mechanics

Abstract

In this cumulative dissertation, experimental and computational approaches were applied in four publications to investigate bone–implant systems under physiological conditions. The overarching aim of this work was to deepen the understanding of the mechanical influences of fracture fixation and thereby contribute to improved bone healing. Across four studies, an experimental workflow for testing bone-implant systems was established, which additionally enabled the correlation between interfragmentary movement and implant stability. Furthermore, a novel plate design was investigated in vivo, in vitro, and in silico, and the influence of implant geometry on the simulation outcomes was examined. Together, these four publications contribute to a more comprehensive understanding of the biomechanical behavior of bone–implant systems. They demonstrate how integrated experimental and computational methods can be used to assess implant performance, validate simulations, and support clinical decision-making. The developed workflows provide a solid foundation for future research and hold the potential to contribute to improved implant design, patient-specific treatment planning, and better outcomes in fracture healing.

In dieser kumulativen Dissertation wurden in vier Veröffentlichungen experimentelle und rechnerische Ansätze eingesetzt, um Knochen-Implantat-Systeme unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, das Verständnis der mechanischen Einflüsse von Frakturfixationen zu vertiefen und dadurch die Knochenheilung zu verbessern. In diesen vier Studien wurde ein experimenteller Workflow zum Testen von Knochen-Implantat-Systemen etabliert, mit dem es zusätzlich möglich war, eine Korrelation zwischen interfragmentärer Bewegung und Implantatstabilität herzustellen. Darüber hinaus wurde ein neues Plattenkonzept (in vivo, in vitro und in silico) untersucht sowie der Einfluss der Implantatgeometrie auf das Simulationsergebnis analysiert. Zusammen tragen diese vier Veröffentlichungen zu einem umfassenderen Verständnis des biomechanischen Verhaltens von Knochen-Implantat-Systemen bei. Sie zeigen, wie integrierte experimentelle und rechnerische Methoden eingesetzt werden können, um die Leistungsfähigkeit von Implantaten zu untersuchen, Simulationen zu validieren und klinische Entscheidungen zu unterstützen. Die entwickelten Arbeitsabläufe bieten eine solide Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten und besitzen das Potenzial, zu einem verbesserten Implantatdesign, einer patientenspezifischen Behandlungsplanung und letztlich zu besseren Ergebnissen in der Frakturheilung beizutragen.