FE-Simulation zur Lokalisierung hoch beanspruchter Bereiche in der Hüftpfanne von Endoprothesen / FE-analysis of surface stresses for the tribological system in total hip prostheses

Behrens, Bernd‐Arno; Helms, Gabriele; Pösse, Olaf; Nolte, Ingo; Meyer‐Lindenberg, Andrea; Rittmann, Pia; Windhagen, H.; Pressel, Thomas

doi:10.1515/bmt.2006.071

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“…The phenomenon, also known as stress shielding, which occurs at the interface between the bone and the rigid implant, causes a reduction in mechanical stimuli due to strain shielding in parts of the bone-implant bond; it was suspected early on to be a cause of subsequent bone degradation around the implant, resulting in aseptic loosening and migration of the acetabulum. Finite element simulations to localise areas of the artificial acetabular cup that are subject to high strain gave some insights on how to improve the materials [3].…”

Section: Zusammenfassungmentioning

confidence: 99%

“…Dieses Phänomen, am Interface von Knochen und steifem Implantat auch als Stress Shielding bezeichnet, bewirkte durch Lastabschirmung in Teilen des Implantat-Knochen-Verbundes eine Reduktion der mechanischen Reize und wurde bereits frühzeitig als Ursache eines späteren Knochenabbaus um das Implantat mit der Folge der aseptischen Lockerung und Pfannenmigration vermutet. Finite-Elemente-Simulationen zur Lokalisation von hochbeanspruchten Arealen der künstlichen Hüftpfannen gaben Hinweise zur Verbesserung der Materialien [3].…”

Section: Introductionunclassified

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20-Jahres-Ergebnisse der Verbundfestigkeit einer aufgesinterten 3-D-Titannetzbeschichtung von 31 Hüftpfannen

et al. 2023

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Zusammenfassung Hintergrund Ziel dieser Arbeit war die Darstellung der knöchernen Verbundfestigkeit und Belastbarkeit einer in der Sinterungstechnik hergestellten 3-dimensionalen Titannetzbeschichtung einer künstlichen Hüftpfanne. Unter den Extrembedingungen von abriebbedingten Osteolysen bis hin zu Pfannenperforationen wurden der Grad des verbleibenden Knochens und die Unversehrtheit der Beschichtung bestimmt. Die Untersuchung sollte Aufschluss darüber geben, in welchen Schadensstadien nach Paprosky ein Belassen des Implantates mit alleinigem Wechsel des Inlays aus rein materialtechnischer Sicht einer stabilen Beschichtung noch vertretbar war. Material und Methoden In einer retrospektiven Studie wurden 31 aseptisch gelockerte Hüftgelenkspfannen des Typs Harris-Galante II mit einer durchschnittlichen Standzeit von 19,7 Jahren (11–27 Jahre) untersucht. Der periazetabuläre Knochenverlust wurde bei der Revisionsoperation in einer modifizierten Schadensklassifikation nach Paprosky (PAP) erfasst. Die an der Beschichtung verbleibenden Knochenareale, die knochenfreien Zonen und die beschädigten Areale des Titannetzes wurden mittels digitaler Flächenmessung bestimmt. Vollhemisphärische Schnitte von 4 Hüftgelenkspfannen mit einer Standzeit von 16, 20, 22 und 27 Jahren wurden mit der Diamantschlifftechnik histopathologisch untersucht. Ergebnisse Der periazetabuläre Knochenverlust führte in 8 Fällen zur Schadensklassifikation PAP I, in 7 Fällen zu PAP IIa, in 2 Fällen zu PAP IIb, in 9 Fällen zu PAP IIc, in 3 Fällen zu PAP IIIa und in 2 Fällen zu PAP IIIb. Der durchschnittliche Anteil des Knochens, der nach der Explantation noch fest an der Beschichtung haftete, betrug. In den Paprosky-I-Schadensfällen 40%, in den Stadien Paprosky IIa und IIb insgesamt 17,9%. Der durchschnittliche Anteil des Knochens der in den Stadien IIc, IIIa und IIIb nicht mehr im Wirtslager verankerten Implantate betrug 2,21%. Der Beschichtungsschaden des Titandrahtgeflechtes betrug im Durchschnitt 11% (0–100%) und war ausschließlich den instabilen Implantaten der Stadien IIc, IIIa und IIIb zuzuordnen. Die histopathologischen Befunde zeigten einen bis zu 27 Jahre nachweisbaren adaptiven Knochenumbau durch das Titannetz hindurch bis tief an die Grenzfläche zum soliden Pfannenkern hin. Die Titaneinzeldrähte waren meist von lamellärem Knochen umwachsen. Schlussfolgerung Die Ergebnisse zeigen, dass die Verbindung der Pfannenkernschale aus Tivanium und der bisher ältesten und unverändert im Sinterungsverfahren hergestellten Beschichtung in Form eines im Punkt- und Linienkontakt aufgesinterten 3-dimensionalen Netzes aus Reintitandrähten auch unter den Extrembelastungen der periazetabulären Osteolysen belastungsstabil bleibt. Die noch knöchern angebundenen Zonen der Beschichtung sind zwangsläufig einer Mehrbelastung ausgesetzt, da sich die Kraftübertragung nur noch auf diese Restareale verlagert. Da in den periazetabulären Schadensstadien Paprosky I, IIa und IIb trotz einer erheblichen Verkleinerung der Anbindungsfläche keine Beschichtungsschäden in den noch knöchern angebundenen Arealen auftraten, ist die Belassung des Implantates in situ und seine Weiterverwendung mit alleinigem Austausch des Inlays in diesen Schadensstadien aus rein materialtechnischer Sicht vertretbar.

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Section: Zusammenfassungmentioning

confidence: 99%

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20-Jahres-Ergebnisse der Verbundfestigkeit einer aufgesinterten 3-D-Titannetzbeschichtung von 31 Hüftpfannen

et al. 2023

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“…This approach has the advantage of calculating forces without the necessity of invasive in vivo experiments for different motions. In combination with finite element analysis [9,10] the MBS can help to identify areas of high loadings in the hip joint which can be further used for an optimization of the tribological pairing of prostheses [11-13]. Additionally the MBS can provide knowledge about an optimal positioning of prosthesis components according to an optimal load distribution in the periprosthetic bone.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Multi-body simulation of a canine hind limb: model development, experimental validation and calculation of ground reaction forces

et al. 2009

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BackgroundAmong other causes the long-term result of hip prostheses in dogs is determined by aseptic loosening. A prevention of prosthesis complications can be achieved by an optimization of the tribological system which finally results in improved implant duration. In this context a computerized model for the calculation of hip joint loadings during different motions would be of benefit. In a first step in the development of such an inverse dynamic multi-body simulation (MBS-) model we here present the setup of a canine hind limb model applicable for the calculation of ground reaction forces.MethodsThe anatomical geometries of the MBS-model have been established using computer tomography- (CT-) and magnetic resonance imaging- (MRI-) data. The CT-data were collected from the pelvis, femora, tibiae and pads of a mixed-breed adult dog. Geometric information about 22 muscles of the pelvic extremity of 4 mixed-breed adult dogs was determined using MRI. Kinematic and kinetic data obtained by motion analysis of a clinically healthy dog during a gait cycle (1 m/s) on an instrumented treadmill were used to drive the model in the multi-body simulation.Results and DiscussionAs a result the vertical ground reaction forces (z-direction) calculated by the MBS-system show a maximum deviation of 1.75%BW for the left and 4.65%BW for the right hind limb from the treadmill measurements. The calculated peak ground reaction forces in z- and y-direction were found to be comparable to the treadmill measurements, whereas the curve characteristics of the forces in y-direction were not in complete alignment.ConclusionIn conclusion, it could be demonstrated that the developed MBS-model is suitable for simulating ground reaction forces of dogs during walking. In forthcoming investigations the model will be developed further for the calculation of forces and moments acting on the hip joint during different movements, which can be of help in context with the in silico development and testing of hip prostheses.

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FE-Simulation zur Lokalisierung hoch beanspruchter Bereiche in der Hüftpfanne von Endoprothesen / FE-analysis of surface stresses for the tribological system in total hip prostheses

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20-Jahres-Ergebnisse der Verbundfestigkeit einer aufgesinterten 3-D-Titannetzbeschichtung von 31 Hüftpfannen

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Multi-body simulation of a canine hind limb: model development, experimental validation and calculation of ground reaction forces

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