Winkel-sensitive MRT zur nichtinvasiven Analyse belasteter ...

16 Kapitel 2. Wissenschaftliche Problemanalyse
Beim genaueren Studieren von Publikationen, die sich mit dem Aufbau kollagener
Struktur des Knorpels mit Hilfe der SEM-Untersuchungen beschäftigen, offenbaren sich
zahlreiche Unstimmigkeiten in der Feststellung der lamellenartigen bzw. säulenartigen
Struktur des menschlichen Knorpels. So bestätigen Minns und Steven sowie Nürnberger
et al. Zwar Lamellenaufbau in der tiefen Zone des Knorpels, verweisen jedoch auf eine
vertikal geordnete Orientierung der Kollagenfasern innerhalb der Lamellen [Minns
1997, Nürnberger 2006]. Clark stellt eine säulenartige Kollagenstruktur in zentralen
Regionen und eine teilweise lamellenartige auf der Peripherie fest [Clark 1990], besteht
jedoch auf radial orientiertes Netzwerk in tieferen Zonen des Knorpels [Clark 1991].
Andere Autoren konstatieren dagegen eine absolut ungeordnete Orientierung einzelner
Kollagenfasern innerhalb der Lamellen sowohl in der radialen als auch in den
tangentialen Zonen des menschlichen [Kääb 1998(2), Goodwin 2000] und bovinen (von
lat. Bovinus = „vom Rind“)[Jeffery 1991] Knorpels. Dabei versuchen Hunziker et al.
Von dieser Kompromisslosigkeit abzuraten und schlagen ein Modell vor, in welchem
die radiale Zone des humanen Gelenkknorpels sowohl anisotrope arkadenförmig
geordnete Fasern als auch isotrope Kollagenfibrillen enthalten [Hunziker 1997].
Offensichtlich besteht bislang keine Klarheit darüber, welche Art des Aufbaus für
die Knorpelstruktur humaner Gelenke gelten soll. Zugunsten der leaf-like Struktur
sprechen die richtungsabhängige Anisotropie der biomechanischen Eigenschaften des
Knorpels und die Bildung von lamellenbedingten Spaltrichtungen. Diese Theorie geht
jedoch vor allem mit der winkel-sensitiven MRT-Darstellung des Knorpelgewebes
auseinander. Aus diesem Grund wird in der vorliegender Arbeit auf dieses Problem
eingegangen und die Konfrontationen experimentell geprüft und diskutiert (s. Kap. 5.3
und Kap. 6.2).
2.1.2.3. BIOMECHANISCHE EIGENSCHAFTEN
Die mechanischen Eigenschaften des artikulären Knorpels sind von der Wechselwirkung
seiner Bestandteile – Proteoglykane und Kollagenfasern – als viskoelastisch
determiniert, da die Kompression in einem nichtlinearen und zeitabhängigen Verhältnis
zu der Belastung steht. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass Kollagenfibrillen
für die elastischen, Proteoglykane hingegen für die viskösen Eigenschaften des
Knorpelgewebes verantwortlich sind [Bader 1994, Woo 1987].
Der arkadenförmige Aufbau der Kollagenstruktur bestimmt das Verhalten von
Kollagenfasern unter Druck. Es wird vermutet, dass die oberflächliche tangentiale Zone
dabei überwiegend den Scherkräften Widerstand leistet und die tiefe radiale Zone dem
Kompressionsdruck entgegen wirkt. Die Übergangszone leitet die Kräfte von der
Tangentialzone in die radiale. Darüber hinaus sind transitionale und radiale Zonen
zusammen für die Druckverteilung in der Tiefe des Knorpels verantwortlich
[Buckwalter 1983].
Offenbar kann sich der Knorpel den Belastungsverhältnissen funktionell anpassen.
So ist die Knorpeldicke ungleichmäßig auf der Gelenkoberfläche verteilt, wobei
Regionen, die höherer mechanischer Belastung ausgesetzt werden, mit einer dickeren
Knorpelschicht überzogen sind [Müller-Gerbl 1987, Eckstein 1992]. Auch die