Material properties of femoral cancellous bone in axial loading

Abstract

The time independent material behavior of cylindrical specimens obtained from the cancellous bone of 20 cadaveric human femora were determined. In this part of the publication, the nominal values for compressive strength, limits of elasticity (yield point), strain, elastic modulus and apparent density are being reported for the cancellous bone of the femoral head and condyle. The correlations between the various parameters are analysed. A positive linear correlation between the four parameters compressive stength, limit of elasticity, modulus of elasticity and apparent density could not be excluded. The material properties vary considerably both within one single bone and between individuals. Compressive strength, modulus of elasticity and apparent density found for cancellous bone of the femoral head are greater than those found in the condyles. Within the condyles, compressive strength, elastic modulus and apparent density increase from the proximal parts to the parts closer to the joint. The medial femoral condyle showed higher compressive strength than the lateral one. Relating each of the three other parameters to the apparent density of the individual specimen did not result in equalizing the data for the material properties. This indicates that the mechanical properties of cancellous bone are strongly related to the direction of loading. Das zeitunabhängige Materialverhalten von Zylinderproben der Femurspongiosa wird beschrieben. Es werden statistische Kennzahlen für Bruchfestigkeit, Elastizitätsgrenze, Dehnung, E-Modul und scheinbare Dichte für die Spongiosa verschiedener Femurbezirke im Kopf- und Kondylenbereich angegeben. Weiter werden durch Korrelationsanalysen die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Größen aufgezeigt. Danach ist bei einem Signifikanzniveau von 1% ein linearer positiver Zusammenhang zwischen den 4 Größen Bruchfestigkeit, Elastizitatsgrenze, E-Modul und scheinbare Dichte nicht auszuschließen. Die Materialkennzahlen variieren sowohl innerhalb eines Knochens als auch von Individuum zu Individuum schr stark. Die Bruchfestigkeit, der E-Modul und die scheinbare Dichte der Kopfspongiosa sind größer als die der Kondylen. Innerhalb der Kondylen nehmen die Bruchfestigkeit, E-Modul und scheinbare Dichte von cranial nach caudal zu, der tibiale Condylus femoris zeigt eine höhere Bruchfestigkeit als der fibulare. Durch Beziehen der einzelnen Meßwerte auf die scheinbare Dichte der entsprechenden Proben werden keine konstanten Werte für die Material kennzahIen der Spongiosa erreicht. Das deutet darauf hin, daß die Materialdaten der Spongiosa wesentlich von der Belastungsrichtung abhängen.