Konstruktionsprinzipien - litos/ - multidirektional winkelstabile Osteosynthese
Pionier der multidirektionalen Winkelstabilität seit 1987.

Dehnung, Anlehnung und Abstützung – Konstruktionsprinzipien der Natur, Konstruktionsprinzipien auch für Osteosynthesesysteme?

Prof. Ilizarov hat in Gesprächen aber auch im Rahmen seiner Vorträge darauf hingewiesen, dass Dehnung ein Naturgesetz ist. Wie dieses Naturgesetz im Einzelnen formuliert werden kann, hat er nicht ausgeführt. Ich gehe davon aus, dass er in erster Linie die Auswirkung der Dehnung im Auge hatte.

Prof Ilizarov: Dehnung ist ein Naturgesetz


Was ist ein Naturgesetz?

Ein Naturgesetz ist ein „Seinsgesetz“, im Gegensatz zu den menschlichen Gesetzen, die als „Sollgesetz“ bezeichnet werden. Naturgesetze sind die Formulierung regelrechter Beziehungen zwischen realen oder gedachten Gegenständen. Dehnung und ihre Auswirkung ist ein gedachter Gegenstand. Ein Naturgesetz der Dehnungsfolgen würde das regelrechte Verhalten der Natur darauf beschreiben.

Was passiert bei Dehnung?


Was passiert, wenn z.B. ein Zug auf einen Zellhaufen ausgeübt wird?


Modell Zellhaufen

Bevor man sich dieser Frage zuwendet, ist es hilfreich, ein „Konstruktionsprinzip der Natur“, den Pneu, zu betrachten. Der Architekt Frei Otto, Erbauer der Olympischen Sportstätten in München, hat diesen Begriff geprägt. Er erkannte, dass die Natur ein Prinzip universell benutzt, um biologische Formen zu bilden. Er nannte es Pneu und verstand darunter:

Ein in sich abgeschlossener Körper, der von einer formbaren Hülle umgeben ist.

Die Hülle erhält ihre Form und Stabilität durch die Druckkräfte aus dem Inneren, wobei sich die Kräfte in der umschließenden Hülle als Zugkräfte auswirken. Jede Zelle, auch ein Zellhaufen, der durch eine Membran umgeben wird, auch Organe und Lebewesen, folgen in ihrer Konstruktion diesem Prinzip. Auch im technischen Bereich ist die Pneukonstruktion erfolgreich. Typisches Beispiel ist der Autoreifen, der sinnvollerweise Pneu heißt. Frei Otto hat als Architekt bei der Konstruktion seiner Überdachung des Olympiastadions das biologische Prinzip konstruktiv angewendet und Zugkräfte eingesetzt, um mit geringstem Materialaufwand diese elegante Überdachung zu schaffen.

Der Pneu ist also ein von einer Hülle umgebener Raum, der einen variablen Innendruck aufweist und so die Stabilität gewährleistet. Dabei kann die Stabilität in dieser Konstruktion natürlich, wie wir wissen, durch steife Stützelemente, also interne oder externe Skelette erhöht werden.


Pneuprinzip


Kehren wir zu dem Beispiel des Zellhaufens zurück und stellen zuerst die Frage:
Warum haben sich Einzeller zu Vielzellern entwickelt?
Wo liegt der biologische Vorteil im Laufe der Evolution?


Peter Neef, Orthopäde in Ulm und ehemals an der Unfallchirurgischen Abteilung unter Prof. Burri tätig, hat sich einem Selbstversuch unterzogen, der im Institut von Prof. Claes durch Herrn PD Wilke vorgenommen wurde. Wie Prof. Nachemson, ließ er sich eine Druckmesssonde in eine Bandscheibe der Lendenwirbelsäule implantieren. Der Druck wurde über einen Tag lang kontinuierlich gemessen. Viele interessante Resultate sind bei diesem Experiment erhoben worden. Ein Ergebnis möchte ich aufgreifen. Wenn er sich, müde geworden durch die Experimente, an eine Wand anlehnte, sich dort abstützte, sank der Druck in der Bandscheibe. Beim ersten Hinschauen nichts ungewöhnliches, man könnte es fast erwarten.

Diese Beobachtung hat nach meiner Beurteilung eine Schlüsselfunktion. Sie weist darauf hin, dass durch Anlehnung und Abstützung, wie ich es bezeichne, Peter Neef instinktiv versucht hat, einer Überlastung entgegenzuwirken.

Anlehnung und Abstützung, ein Naturprinzip für die Übertragung von Kräften und Lasten, hat zum Ziel, diese aufzuteilen und somit Überlastung und mögliche Zerstörung zu vermeiden. Welche Beziehung hat die Dehnung zu diesem Prinzip der Anlehnung und Abstützung? Wenden wir uns der einzelnen Zelle zu.
Wird sie unter Druck gesetzt, so kommt es zu einer Deformation. Es bilden sich Zugkräfte im Bereich der Kapsel aus. Wenn diese die Festigkeit der Kapsel überschreiten, kommt es zur Zerstörung.

Betrachten wir dagegen einen Zellhaufen, so wird dieselbe Druckkraft auf mehrere Zellen verteilt. Durch diese Verteilung ist die Druckkraft, die auf die einzelne Zelle einwirkt, geringer. Einwirkende Kräfte werden durch das Pneuprinzip gleichmäßig, und das heißt kraftschlüssig, auf alle Zellen über die Anlehnung und Abstützung der Zellwände verteilt.
Diese Kraftschlüssigkeit wird in der Technik auch als Winkelstabilität bezeichnet, ein Ausdruck, der mit der neuen Implantatgeneration in der Osteosynthese verbunden ist.
Ein Druck, der zur Zerstörung der Einzelzelle geführt hätte, wird also im Zellhaufen aufgeteilt und getragen. Die Verteilung der Kräfte erfolgt nach dem bekannten physikalischen Gesetz ( wobei p = pressure, F = force, A = area ist):

p = F / A

oder anders ausgedrückt: Der Druck ist proportional der Kraft und umgekehrt proportional der Flächeneinheit. Man könnte auch sagen:

F = p x A oder A = F / p

Vergrößern wir also die Fläche, wird bei einwirkender Kraft (F = force) der Druck in der Zelle und der Zug in der Zellwand geringer.
Eine große Zelle unterscheidet sich gegenüber einem Zellhaufen mit gleichem Volumen, der von einer Wand umgeben ist, wobei die Zellwand und die Zellhaufenwand gleich sind, dadurch, dass die Summe der beim Zellhaufen aneinander liegenden, verformbaren Oberflächen um ein Vielfaches größer ist als die große Zelle mit einer Oberfläche.
Hier liegt, wie ich meine, der evolutionäre Vorteil.
Verbünden sich also Zellen zu einem Verband, führt diese Bindung dazu, dass einwirkende Kräfte gleichmäßig verteilt werden, die Belastung für die einzelne Zelle im Kollektiv ertragbar wird und das Kollektiv höhere Belastungen zulässt.
Erfolgt durch Zug oder Druck eine Verformung des Zellhaufens an einer Stelle, so pflanzt sich diese Verformung fort. Es ist vorstellbar, dass sie auch zur Informationsübertragung und zur Ernährung genutzt wird.
Die Lastenverteilung, der Lastenausgleich, führt also zu einer höheren Leistungsfähigkeit. Könnte Ilizarov mit seiner Feststellung, dass Dehnung ein Naturgesetz ist, das Prinzip der Anlehnung und Abstützung gemeint haben?
 

Dehnung bedeutet auch:

Die Summe der Oberflächen der kleinen Zellen ist viel größer als die Oberfläche einer großen Zelle bei gleichem Gesamtvolumen.
Druck- und Zugkräfte sind gerichtet. Bei einem definierten Reiz erwartet man auch eine definierte Antwort. Dass dieses z.B. im Bereich des menschlichen Skelettes und Bewegungsapparates erfolgt, wissen wir z.B. durch die Arbeiten von Pauwels.


Wenn die einwirkende Kraft und der dabei sich entwickelnde Zug/Druck die Belastungsfähigkeit dauerhaft überfordert, kommt es zum Nachgeben der Struktur. Folge kann ein gerichtetes Wachstum sein, um die Zerreißung des Zellverbandes zu verhindern. Es erfolgt eine aktive strukturelle, man könnte auch sagen, eine funktionelle Anpassung.

Die Dehnung der Osteotomie bei einem erwachsenen Knochen nach den Prinzipien von Ilizarov führt z.B. zur Ausbildung einer neuen Wachstumsfuge.
Die Natur greift auf ein bewährtes Prinzip zurück. Die schlummernde Fähigkeit, in den Genen fixiert, wird durch den Dehnungsreiz, um es mit Ilizarov auszudrücken, erweckt und aktiviert. Dass der Dehnungsreiz zu einer grundsätzlich anderen Gewebsstruktur führt, als dieses beispielsweise bei Reparationsprozessen nach Verletzungen der Fall ist, ist erstaunlich und überraschend. Offensichtlich reagieren alle Gewebe spezifisch auf den Dehnungsreiz.

Jedes Gewebe bildet seine Zellstruktur aus, der Knochen die Knochenzelle, der Muskel die Muskelzelle, das Gefäß die Gefäßzelle. Wenn wir uns daran erinnern, dass Ilizarov in persönlichen Gesprächen gesagt hat, dass es ihm nicht möglich sein wird, die Vielfältigkeit des Dehnungsreizes auf alle Gewebe des Organismus zu erforschen, beginnt man dieses auf dem Hintergrund der spezifischen Gewebsantwort auf den gerichteten Dehnungsreiz zu begreifen.

Druck- und Zugkräfte werden in einem Zellverband nach dem Prinzip der Kraftschlüssigkeit weitergegeben. Auf dem Hintergrund dieses Funktionsprinzips begreifen wir leichter, warum die Weichteilsäule zur Lastübertagung geeignet ist und dass sie ein aktives, ökonomisches Lastübertragungssystem darstellt, welches dann besonders zum Einsatz kommt, wenn Höchstleistungen erbracht werden müssen.
Die großflächige Kraftübertragung, deren Vorteile wir in der belebten Natur zu erkennen glauben, hat Konsequenzen bei der Gestaltung von Implantaten in der Knochenchirurgie. Kraftschlüssigkeit bedeutet eine Erhöhung der Stabilität durch Lastenverteilung. Bauen wir daher abstützende Implantate für die Knochenchirurgie, so müssen diese nicht nur kraftschlüssig, d.h. winkelstabil sein, sondern sie sollten sich auch gleichzeitig optimal im und am Knochen anlehnen und abstützen, natürlich ohne die Vaskularisation zu gefährden. Der möglichst lange Weg der Schraube im Knochen, d.h. die freie Wählbarkeit der Schraubenlage, stellt deshalb einen Vorteil dar, weil hiermit die Fläche für die Lasteinteilung vergrößert wird.
Die höhere Leistungsfähigkeit des Konstruktionsprinzips erlaubt es auch, winkelstabile Implantate mit frei wählbarer Schraubenlage kleiner zu dimensionieren.

Was wir heute in der modernen winkelstabilen Implantatgestaltung umzusetzen versuchen, wird bei den externen Fixationssystemen im Wirkungsprinzip in Teilen vorweggenommen.
Dehnung, Anlehnung und Abstützung charakterisieren die Funktionsweise des Pneuprinzips. Wenn wir die einwirkenden Kräfte und ihre Folgen als Funktion sehen, so stellt sie auch den Reiz für Auf- und Abbau dar.

Wachstums- und Vermehrungsvorgänge sind durch die intrazellulären Kräfte, die auf die Wände übertragen werden charakterisiert und stellen kein ungeordnetes Geschehen dar, sondern erfolgen nach einem Prinzip, welches mit der Zahlenreihe des Fibonacci in Verbindung steht.

Leonardo Fibonacci
1170-1250
Liber abaci
1202

1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, ...

Das Verhältnis dieser Zahlenreihe (1:1,618) spiegelt den sog. Goldenen Schnitt oder auch die „Göttliche Proportionalität“ wider.

Darstellung: Goldener Schnitt

1 : 1,618

Nicht nur in der Konstruktion des Menschen, der Pflanzen und Tiere, sondern auch bei den Spiralformen der Galaxien findet sich die gleiche Verhältnismäßigkeit in Prozessen und Formen.

 

Makrokosmos Mikrokosmos


Ilizarov hat mit seiner Bemerkung, dass Dehnung ein Naturgesetz ist, meiner Ansicht nach im Kern recht. Beschreitet man den Weg, so führt er zu dem Naturprinzip der Anlehnung und Abstützung.
Er ist wie ein Faden in einem Labyrinth. Wenn wir ihm folgen, gelangen wir zu neuen Ansichten, ohne uns zu verirren.

D. Wolter