Ontwikkeling en Eindige-Elementenanalyse van een Multi-Roosterstructuur voor een Heupsteelimplantaat ter Vermindering van het Stress-Shielding-effect

Mustafa Guven Gok

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

Ontwikkeling en Eindige-Elementenanalyse van een Multi-Roosterstructuur voor een Heupsteelimplantaat ter Vermindering van het Stress-Shielding-effect

1. Wetenschappelijke Referentie

• Titel van de studie: Ontwikkeling en Eindige-Elementenanalyse van een Multi-Roosterstructuur voor een Heupsteelimplantaat ter Vermindering van het Stress-Shielding-effect
• Auteur: Mustafa Güven Gök
• Wetenschappelijk tijdschrift: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part L: Journal of Materials: Design and Applications
• Publicatiejaar: 2022
• DOI: 10.1177/14644207211046200

2. Wetenschappelijke Achtergrond

De biomechanische interactie tussen een orthopedisch implantaat en het omliggende bot speelt een cruciale rol bij de duurzaamheid van een totale heupprothese. Wanneer de stijfheid van een implantaat aanzienlijk hoger is dan die van het natuurlijke botweefsel, kan de fysiologische belasting van het bot afnemen. Hierdoor ontstaat een onevenwichtige krachtsverdeling waarbij het implantaat een groot deel van de mechanische belasting opvangt.

Dit verschijnsel staat bekend als stress shielding en wordt beschouwd als een belangrijke factor bij botresorptie rond heupimplantaten. Na verloop van tijd kan dit leiden tot verlies van botmassa en een verminderde structurele ondersteuning van het implantaat.

Dankzij recente ontwikkelingen in additieve productietechnieken kunnen complexe poreuze structuren worden vervaardigd met nauwkeurig gecontroleerde mechanische eigenschappen. Rooster- of lattice-structuren bieden de mogelijkheid om de stijfheid van metalen implantaten te verlagen zonder hun mechanische integriteit volledig op te offeren. Deze studie onderzoekt of een combinatie van verschillende roosterarchitecturen binnen één heupsteelimplantaat kan bijdragen aan een betere belastingsoverdracht naar het femur.

3. Doel van de Studie

Het primaire doel van deze studie was het ontwerpen en evalueren van heupsteelimplantaten met geïntegreerde multi-roosterstructuren in het proximale deel van het implantaat.

De onderzoekers wilden bepalen of verschillende combinaties van driedimensionale kubische roosterarchitecturen de stijfheid van het implantaat konden verminderen, de belastingsoverdracht naar het bot konden verbeteren en daardoor het stress-shielding-effect konden beperken in vergelijking met een conventioneel massief implantaat.

4. Methodologie

Deze publicatie betreft een preklinische numerieke studie gebaseerd op eindige-elementenanalyse (Finite Element Analysis – FEA).

Als referentie werd een conventionele heupsteel vervaardigd uit Ti6Al4V-titaniumlegering. Vervolgens werden drie alternatieve ontwerpen ontwikkeld:

• Ontwerp 1: Simple Cubic (SC)-roosterstructuur
• Ontwerp 2: Body-Centered Cubic (BCC)-roosterstructuur
• Ontwerp 3: Face-Centered Cubic (FCC)-roosterstructuur

Het proximale gedeelte van de heupsteel werd verdeeld in drie zones waarin aanvullende horizontale en verticale verstevigingsbalken werden geïntegreerd.

De implantaten werden virtueel geplaatst in een femurmodel dat was opgebouwd op basis van CT-beelden. De simulaties werden uitgevoerd onder belastingcondities die overeenkomen met normaal lopen van een persoon met een lichaamsgewicht van 700 N. Onder andere Von Mises-spanningen, vervormingsenergie, verplaatsingen en stress-shielding-signalen werden geanalyseerd.

Er werden geen patiënten, diermodellen of klinische gegevens gebruikt.

5. Belangrijkste Resultaten

De toepassing van multi-roosterstructuren had een duidelijke invloed op het mechanische gedrag van de implantaten.

Bij het conventionele model werd een maximale Von Mises-spanning van ongeveer 289 MPa vastgesteld. Bij de roosterontwerpen varieerden deze waarden tussen ongeveer 189 MPa en 221 MPa.

Daarnaast werd een aanzienlijke gewichtsreductie gerealiseerd:

• Ontwerp 1: ongeveer 25,9% gewichtsvermindering
• Ontwerp 2: ongeveer 18,8% gewichtsvermindering
• Ontwerp 3: ongeveer 18,3% gewichtsvermindering

De analyse van stress shielding liet zien dat de belastingsoverdracht naar de proximale delen van het femur verbeterde. In vergelijking met het conventionele implantaat werden in bepaalde botzones aanzienlijke verbeteringen geregistreerd. De maximale toename van het stress-shielding-signaal bedroeg 150,47%.

Van de drie onderzochte configuraties leverde het ontwerp met een eenvoudige kubische roosterstructuur (Ontwerp 1) de gunstigste biomechanische resultaten op.

6. Klinische Analyse

Hoewel deze studie uitsluitend gebaseerd is op computermodellen, biedt zij waardevolle inzichten voor de toekomstige ontwikkeling van orthopedische implantaten.

De resultaten suggereren dat een gecontroleerde verlaging van de implantaatstijfheid kan bijdragen aan een meer fysiologische verdeling van mechanische belastingen tussen implantaat en bot. Dit is relevant omdat stress shielding wordt beschouwd als een van de belangrijkste biomechanische oorzaken van botverlies rond heupprothesen.

Een belangrijk aspect van deze studie is dat niet alleen de mate van porositeit bepalend blijkt te zijn voor de prestaties van het implantaat. Ook de geometrische configuratie van de roosterstructuur speelt een essentiële rol bij de overdracht van krachten naar het omliggende bot.

De superieure prestaties van de eenvoudige kubische structuur wijzen erop dat relatief eenvoudige architecturen in sommige gevallen effectiever kunnen zijn dan complexere ontwerpen.

Hoewel de studie gericht is op heupimplantaten, zijn de beschreven principes eveneens relevant voor andere domeinen zoals dentale implantologie, maxillofaciale reconstructie, gepersonaliseerde implantaten en CAD/CAM-gebaseerde medische toepassingen.

De resultaten mogen echter niet rechtstreeks worden vertaald naar klinische uitkomsten, aangezien biologische processen zoals osseointegratie en botremodellering niet werden onderzocht.

7. Klinische Toepassingen

De bevindingen van deze studie kunnen relevant zijn voor:

• de ontwikkeling van additief vervaardigde orthopedische implantaten;
• biomechanische optimalisatie van heupstelen;
• onderzoek naar poreuze titanium biomaterialen;
• patiëntspecifieke implantaatontwerpen;
• innovatieve belastingdelende implantaatsystemen.

Daarnaast kunnen de beschreven ontwerpprincipes waardevolle inzichten bieden voor onderzoek binnen de dentale implantologie en botreconstructie.

8. Bewijsniveau, Beperkingen en Transparantie

Deze publicatie betreft een preklinische biomechanische simulatiestudie.

Het bewijsniveau is daardoor lager dan dat van prospectieve klinische studies of gerandomiseerde gecontroleerde onderzoeken. De conclusies zijn uitsluitend gebaseerd op numerieke modellen.

Belangrijke beperkingen zijn:

• het ontbreken van klinische validatie;
• het ontbreken van experimentele mechanische testen;
• afhankelijkheid van aannames binnen het computermodel;
• evaluatie onder specifieke belastingcondities.

De auteur meldt geen financiële ondersteuning voor het onderzoek en verklaart geen belangenconflicten te hebben.

9. Kernpunten van de Studie

• Type studie: Preklinische eindige-elementenanalyse
• Bewijsniveau: Computationele biomechanische studie
• Populatie: Niet van toepassing
• Aantal patiënten: Geen
• Follow-upduur: Niet van toepassing
• Onderzocht materiaal: Ti6Al4V-titaniumlegering
• Primaire uitkomstmaat: Stress shielding en belastingsoverdracht
• Belangrijkste resultaat: Verbeterde belastingsoverdracht naar het proximale femur dankzij multi-roosterstructuren
• Best presterend ontwerp: Ontwerp 1 (Simple Cubic)
• Maximale verbetering: 150,47% stijging van het stress-shielding-signaal in specifieke femurregio’s
• Wetenschappelijke conclusie: Multi-roosterstructuren verminderden de biomechanische indicatoren van stress shielding ten opzichte van een conventionele heupsteel
• Belangrijkste beperking: Geen klinische validatie

10. Wetenschappelijke Impact

Deze studie levert een originele bijdrage aan het onderzoek naar biomechanisch geoptimaliseerde orthopedische implantaten. Waar eerdere onderzoeken zich vaak richtten op één type roosterstructuur, onderzoekt deze publicatie het gecombineerde gebruik van meerdere architecturen binnen hetzelfde implantaat.

De resultaten ondersteunen het idee dat implantaatontwerp een even grote invloed kan hebben op de biomechanische prestaties als de keuze van het materiaal zelf. Bovendien onderstrepen zij het potentieel van additieve productietechnologieën voor de ontwikkeling van implantaten met op maat gemaakte mechanische eigenschappen.

Deze inzichten kunnen bijdragen aan de verdere ontwikkeling van implantaten die beter aansluiten bij de natuurlijke mechanische omgeving van het bot.

11. Redactionele Conclusie

Deze eindige-elementenstudie toont aan dat multi-roosterstructuren in Ti6Al4V-heupsteelimplantaten de belastingsoverdracht naar het femur kunnen verbeteren en aanwijzingen geven voor een vermindering van het stress-shielding-effect. Van de onderzochte configuraties liet de eenvoudige kubische structuur de meest gunstige biomechanische prestaties zien. Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, blijven zij beperkt tot numerieke simulaties en is verdere experimentele en klinische validatie noodzakelijk voordat klinische toepassingen kunnen worden overwogen.