Mechanical testing of articular cartilage and repair tissue enables judgment of their capacity in withstanding mechanical loading. In the past, different methods have been developed requiring a complex technical setup and extensive data analysis. Therefore, the aim of the present project was to build up a simple measuring apparatus for laboratory indentation tests. The device consists of an incremental optical displacement transducer with a sleeve bearing guided plunger and a spherical tip made of polished steel (radius: 0.75 or 1.5 mm), a sensitive load cell and a stiff frame. The indentation force results from the plunger's gravity plus the force of the spring inside the displacement transducer and levels at 0.170 N or 0.765 N. The displacement transducer is fixed to the frame via the load cell that enables one to detect the initial contact of the tip with the tissue. The load cell has a standard uncertainty of 2 mN and the displacement transducer of 1 μm. From indentation-creep tests, a “0.25-s elastic modulus” is calculated. Measurements on thin rubber sheets were carried out to determine the quality of the measuring device. Compression tests on cylinders made of these rubber sheets yielded control data, and a good agreement with the “0.25-s elastic modulus” was found. Indentation tests on cartilage at different sites of sheep femoral condyles yielded a very good repeatability of the measurement results (±7.5%).
ZusammenfassungDie Fähigkeit von Knorpel und Knorpelersatzgewebe, mechanische Lasten aufzunehmen und zu übertragen, kann in mechanischen Tests ermittelt werden. Dazu sind in der Vergangenheit verschiedene Methoden entwickelt worden, die zum Teil einen erheblichen technischen Aufwand und eine aufwendige Datenanalyse erfordern. Daher war unser Ziel, einen einfachen Versuchsaufbau für Labor-Indentationsversuche zu entwickeln. Die Vorrichtung besteht aus einem inkrementalen optischen Wegtaster mit einem gleitgelagerten Messbolzen und einer kugeligen Tastspitze aus poliertem Stahl (Radius: 0,75 bzw. 1,5 mm), einem empfindlichen Kraftsensor und einem steifen Prüfrahmen. Die Indentationskraft ergibt sich aus der Massenkraft des Messbolzens und der Kraft der Feder im Innern des Wegtasters und beträgt 0,170 N bzw. 0,765 N. Der Wegtaster ist mittels des Kraftsensors am Prüfrahmen befestigt, so dass der Initialkontakt der Tastspitze mit dem zu testenden Gewebe erkannt wird. Die Genauigkeit des Wegtasters beträgt 1 μm, die der Kraftmessung 2 mN. Aus Indentations-Kriechversuchen wird ein “0,25-s-E-Modul” bestimmt. An dünnen Gummifolien wurde die Güte der Messvorrichtung überprüft. In Kompressionsversuchen mit Gummizylindern aus diesen Folien wurden die Vergleichsdaten ermittelt, und es ergab sich eine gute Übereinstimmung mit dem “0,25-s-E-Modul”. Messungen am Knorpel an verschiedenen Lokalisationen im Schafskniegelenk zeigten eine sehr gute Wiederholbarkeit der Messergebnisse (±7,5%).