Entwicklung und Finite-Elemente-Analyse eines Multi-Gitterstruktur-Designs für Hüftschaftimplantate zur Reduzierung des Stress-Shielding-Effekts

Mustafa Guven Gok

Full text link: https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/14644207211046200

Entwicklung und Finite-Elemente-Analyse eines Multi-Gitterstruktur-Designs für Hüftschaftimplantate zur Reduzierung des Stress-Shielding-Effekts

1. Wissenschaftliche Referenz

• Titel der Studie: Entwicklung und Finite-Elemente-Analyse eines Multi-Gitterstruktur-Designs für Hüftschaftimplantate zur Reduzierung des Stress-Shielding-Effekts
• Autor: Mustafa Güven Gök
• Wissenschaftliche Zeitschrift: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part L: Journal of Materials: Design and Applications
• Erscheinungsjahr: 2022
• DOI: 10.1177/14644207211046200

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die langfristige Stabilität von Hüftendoprothesen hängt nicht nur von der biologischen Verträglichkeit des Implantatmaterials ab, sondern auch von dessen mechanischer Interaktion mit dem umgebenden Knochen. Ein wesentliches Problem moderner Hüftimplantate besteht darin, dass metallische Werkstoffe häufig eine deutlich höhere Steifigkeit aufweisen als das natürliche Knochengewebe. Dadurch wird ein erheblicher Teil der Belastung vom Implantat selbst aufgenommen, während der angrenzende Knochen mechanisch entlastet wird.

Dieses Phänomen wird als „Stress Shielding“ bezeichnet und kann langfristig zu Knochenabbau sowie zu einer verminderten strukturellen Belastbarkeit des Knochens führen. Fortschritte in der additiven Fertigung ermöglichen heute die Herstellung komplexer poröser Strukturen, deren mechanische Eigenschaften gezielt angepasst werden können. Gitter- oder Lattice-Strukturen bieten dabei die Möglichkeit, die Steifigkeit eines Implantats zu reduzieren und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten.

Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Arbeit den Einsatz mehrerer kombinierter Gitterarchitekturen innerhalb eines Hüftschaftimplantats, um die Lastübertragung auf den Femur zu verbessern und den Stress-Shielding-Effekt zu verringern.

3. Ziel der Studie

Ziel dieser Untersuchung war die Entwicklung und biomechanische Bewertung neuartiger Hüftschaftimplantate mit Multi-Gitterstrukturen im proximalen Implantatbereich.

Die Autoren wollten analysieren, ob unterschiedliche Kombinationen kubischer Gitterstrukturen die Steifigkeit des Implantats reduzieren, die Belastungsübertragung auf den Knochen verbessern und dadurch den Stress-Shielding-Effekt im Vergleich zu einem konventionellen Hüftschaftimplantat vermindern können.

4. Methodik

Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine präklinische numerische Studie auf Basis der Finite-Elemente-Methode (Finite Element Analysis, FEA).

Als Referenz diente ein konventioneller Hüftschaft aus der Titanlegierung Ti6Al4V. Anschließend wurden drei unterschiedliche Multi-Gitter-Designs entwickelt:

• Design 1: Einfache kubische Struktur (Simple Cubic, SC)
• Design 2: Raumzentrierte kubische Struktur (Body-Centered Cubic, BCC)
• Design 3: Flächenzentrierte kubische Struktur (Face-Centered Cubic, FCC)

Der proximale Bereich des Implantats wurde in drei Abschnitte unterteilt und durch zusätzliche horizontale sowie vertikale Verstrebungen modifiziert.

Die Implantate wurden virtuell in ein Femurmodell integriert, das auf Computertomographie-Daten basierte. Die Belastungssimulation entsprach den Kräften eines 700-N-Personengewichts während des normalen Gehens. Analysiert wurden unter anderem Von-Mises-Spannungen, Deformationsenergie, Verschiebungen und Stress-Shielding-Signale in verschiedenen Regionen des Oberschenkelknochens.

Patienten, klinische Daten oder Tierversuche waren nicht Bestandteil dieser Untersuchung.

5. Hauptergebnisse

Die Einführung von Multi-Gitterstrukturen führte zu deutlichen Veränderungen des mechanischen Verhaltens der Hüftschäfte.

Während beim konventionellen Implantat maximale Von-Mises-Spannungen von etwa 289 MPa gemessen wurden, lagen die Werte bei den Gitterdesigns zwischen ungefähr 189 MPa und 221 MPa.

Zusätzlich konnte das Implantatgewicht reduziert werden:

• Design 1: Gewichtsreduktion von etwa 25,9 %
• Design 2: Gewichtsreduktion von etwa 18,8 %
• Design 3: Gewichtsreduktion von etwa 18,3 %

Die Analyse des Stress Shielding zeigte eine verbesserte Lastübertragung auf die proximalen Femurregionen. Im Vergleich zum Referenzimplantat wurden je nach Knochenzone deutliche Verbesserungen festgestellt. Die maximale Zunahme des Stress-Shielding-Signals betrug 150,47 %.

Unter den untersuchten Varianten zeigte das auf einer einfachen kubischen Struktur basierende Design 1 die günstigsten biomechanischen Eigenschaften. Es kombinierte eine geringere Spannungsbelastung des Implantats mit einer verbesserten Kraftübertragung auf den Knochen.

6. Klinische Analyse

Obwohl es sich nicht um eine klinische Studie handelt, liefert diese Arbeit wertvolle Erkenntnisse für die zukünftige Entwicklung lastteilender orthopädischer Implantate.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine gezielte Reduktion der Implantatsteifigkeit durch poröse Gitterarchitekturen die natürliche Belastungsverteilung zwischen Implantat und Knochen verbessern kann. Dies ist insbesondere deshalb relevant, weil Stress Shielding als einer der wichtigsten biomechanischen Faktoren für periimplantären Knochenverlust nach Hüftendoprothesen gilt.

Bemerkenswert ist, dass nicht allein der Porositätsgrad über die Leistungsfähigkeit entscheidet. Vielmehr scheint die konkrete Geometrie des Gitters einen entscheidenden Einfluss auf die Lastübertragung zu besitzen. Die einfache kubische Struktur zeigte die effizienteste Weiterleitung mechanischer Kräfte in den Knochen.

Die in dieser Studie beschriebenen Prinzipien besitzen auch über die Hüftchirurgie hinaus wissenschaftliche Bedeutung. Ähnliche Konzepte werden zunehmend in der dentalen Implantologie, der kraniofazialen Rekonstruktion, der CAD/CAM-gestützten Implantatplanung sowie bei patientenspezifischen Implantatlösungen untersucht.

Gleichzeitig müssen die Ergebnisse mit Vorsicht interpretiert werden, da biologische Prozesse wie Osseointegration, Knochenumbau und Langzeitverhalten in numerischen Modellen nur eingeschränkt abgebildet werden können.

7. Klinische Anwendungen

Die Ergebnisse dieser Studie könnten insbesondere relevant sein für:

• die Entwicklung additiv gefertigter orthopädischer Implantate,
• die Optimierung lastteilender Hüftschaftdesigns,
• die Forschung zu porösen Titanimplantaten,
• patientenspezifische Implantatlösungen,
• biomechanisch optimierte Rekonstruktionsverfahren.

Darüber hinaus können die vorgestellten Konzepte auch für Forschungsbereiche der dentalen Implantologie, der Knochenaugmentation und der implantatgetragenen Rehabilitation von Interesse sein, sofern die Unterschiede zwischen orthopädischen und dentoalveolären Belastungssituationen berücksichtigt werden.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Diese Publikation ist als präklinische Finite-Elemente-Studie einzuordnen.

Das Evidenzniveau ist daher niedriger als das klinischer Studien, prospektiver Kohortenuntersuchungen oder randomisierter kontrollierter Studien. Die Ergebnisse zeigen in erster Linie biomechanische Zusammenhänge unter simulierten Bedingungen.

Zu den wesentlichen Einschränkungen gehören:

• fehlende klinische Validierung,
• keine experimentellen Belastungstests,
• Abhängigkeit von Modellannahmen,
• Analyse unter spezifischen Belastungsszenarien.

Der Autor weist darauf hin, dass experimentelle Untersuchungen erforderlich sind, um die vorgeschlagenen Designs weiter zu validieren.

Es wurden keine finanziellen Fördermittel angegeben. Interessenkonflikte wurden vom Autor nicht berichtet.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Präklinische Finite-Elemente-Analyse
• Evidenzniveau: Biomechanische Simulationsstudie
• Population: Nicht anwendbar
• Patientenzahl: Keine
• Nachbeobachtungszeit: Nicht anwendbar
• Untersuchtes Material: Ti6Al4V-Titanlegierung
• Primärer Endpunkt: Stress Shielding und Lastübertragung
• Wichtigstes Ergebnis: Verbesserte Kraftübertragung auf den proximalen Femur durch Multi-Gitterstrukturen
• Bestes Design: Design 1 (Simple Cubic)
• Maximaler Effekt: 150,47 % Verbesserung des Stress-Shielding-Signals in bestimmten Knochenregionen
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Multi-Gitterstrukturen reduzierten den Stress-Shielding-Effekt gegenüber einem konventionellen Hüftschaftdesign
• Wesentliche Limitation: Ausschließlich numerische Simulation ohne klinische Validierung

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Die Studie erweitert die aktuelle Forschung zu biomechanisch optimierten Hüftimplantaten, indem sie erstmals verschiedene Gitterarchitekturen innerhalb eines einzigen Implantatsystems kombiniert untersucht. Die Ergebnisse unterstreichen, dass die innere Struktur eines Implantats einen erheblichen Einfluss auf dessen mechanisches Verhalten haben kann.

Darüber hinaus bestätigt die Arbeit das Potenzial additiver Fertigungstechnologien zur Entwicklung individueller Implantatlösungen mit gezielt einstellbaren biomechanischen Eigenschaften. Die Erkenntnisse tragen dazu bei, zukünftige Implantatgenerationen zu entwickeln, die eine bessere Anpassung an die mechanischen Anforderungen des umgebenden Knochens ermöglichen.

11. Redaktionelles Fazit

Diese Finite-Elemente-Studie zeigt, dass Multi-Gitterstrukturen in Ti6Al4V-Hüftschaftimplantaten die Lastübertragung auf den Femur verbessern und biomechanische Hinweise auf eine Verringerung des Stress-Shielding-Effekts liefern können. Besonders die einfache kubische Gitterarchitektur erwies sich als vielversprechend. Trotz der positiven Ergebnisse handelt es sich ausschließlich um numerische Simulationen, sodass weitere experimentelle und klinische Untersuchungen erforderlich sind, bevor eine Übertragung auf die klinische Praxis erfolgen kann.