Published December 1, 2022 | Version v1
Publication Open

Novel axial compressive endoprosthesis ACE can enhance metaphyseal fixation and facilitate osseointegration: A biomechanical study

Creators

  • 1. Beijing Chest Hospital
  • 2. Peking University People's Hospital
  • 3. Peking University

Description

Background: Metaphyseal fixation for endoprosthetic reconstruction after bone tumor resection is difficult due to the short residual bone length and reverse funnel shape of the metaphysis. In the current study, 3D-printed axial compressive endoprosthesis (ACE) with a short stem and intramedullary axial compressive mechanism is proposed to improve metaphyseal fixation. The rationales of ACE are that 1) intramedullary axial compress enhances the stability of endoprosthesis and facilitates bone ingrowth at the osteotomy site; 2) 3D printed porous metallic surface at osteotomy surface and stem allows bone ingrowth to achieve osseointegration. Methods: A biomechanical study was performed to explore the initial stability using Sawbones. A diaphysis and metaphyseal segmental defect were created and four fixation structures were simulated: 1) ACE; 2) ACE + lateral plate; 3) stem prosthesis + unilateral plate; 4) stem prosthesis + bilateral plates. Bending and torsional stiffness were determined with a material testing machine. The relationship between the torque of the compression nut and the axial compression force of the bone-implant surface was measured using a round gasket load sensor. Results: ACE + lateral plate was the stiffest in the bending test (sagittal 324.3 ± 110.8 N/mm, coronal 307.7 ± 8.7 N/mm). ACE + lateral plate and stem prosthesis + bilateral plates had the highest torsional stiffness (10.9 ± 1.3 Nm/° and 10.7 ± 0.2 Nm/° respectively). The bending stiffness of ACE was equivalent to stem prosthesis + bilateral plates (sagittal 196 ± 10 N/mm vs. 200 ± 7 N/mm, coronal 197 ± 14 N/mm vs. 209 ± 3 N/mm), but the torsional stiffness of ACE was inferior to stem prosthesis + bilateral plates (6.1 ± 1.3 Nm/° vs. 10.7 ± 0.2 Nm/°). Stem prosthesis + unilateral plate was the least stiff both in bending and torsion. The relationship between torque (T/Nm) and axial pressure (F/N) was F = 233.5T. Conclusion: The axial compressive design of ACE enhances primary stability and facilitates osseointegration, which provides an alternative option of metaphyseal fixation for endoprosthetic reconstruction.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

معلومات أساسية: من الصعب التثبيت الميتافيزيقي لإعادة بناء البدلة بعد استئصال ورم العظام بسبب طول العظم القصير المتبقي وشكل القمع العكسي للميتيفيسيس. في الدراسة الحالية، تم اقتراح بدلة داخلية ضاغطة محورية مطبوعة ثلاثية الأبعاد (ACE) مع جذع قصير وآلية ضغط محورية داخل النخاع لتحسين التثبيت المشاشي. الأسس المنطقية للإنزيم المحول للأنجيوتنسين هي أن 1) الضغط المحوري داخل النقي يعزز استقرار البدلة الداخلية ويسهل نمو العظام في موقع خزع العظم ؛ 2) سطح معدني مسامي مطبوع ثلاثي الأبعاد على سطح خزع العظم والساق يسمح لنمو العظام بتحقيق التكامل العظمي. الطرق: تم إجراء دراسة ميكانيكية حيوية لاستكشاف الثبات الأولي باستخدام عظام المنشار. تم إنشاء عيب في الجَدل والقطعة المشاشية وتم محاكاة أربعة هياكل تثبيت: 1) الإنزيم المحول للأنجيوتنسين ؛ 2) الإنزيم المحول للأنجيوتنسين + الصفيحة الجانبية ؛ 3) البدلة الجذعية + الصفيحة أحادية الجانب ؛ 4) البدلة الجذعية + الصفائح الثنائية. تم تحديد الانحناء وصلابة الالتواء باستخدام آلة اختبار المواد. تم قياس العلاقة بين عزم دوران صامولة الانضغاط وقوة الانضغاط المحورية لسطح الزرع العظمي باستخدام مستشعر حمل الحشية المستدير. النتائج: كان الآس + الصفيحة الجانبية الأكثر صلابة في اختبار الانحناء (السهمي 324.3 ± 110.8 نيوتن/مم، الإكليلي 307.7 ± 8.7 نيوتن/مم). كان للصفائح الجانبية وبديل الساق + الصفائح الثنائية أعلى صلابة التوائية (10.9 ± 1.3 نيوتن متر/درجة و 10.7 ± 0.2 نيوتن متر/درجة على التوالي). كانت صلابة انحناء الإنزيم المحول للأنجيوتنسين مكافئة لبدلة الساق + الصفائح الثنائية (سهمية 196 ± 10 نيوتن/مم مقابل 200 ± 7 نيوتن/مم، إكليلية 197 ± 14 نيوتن/مم مقابل 209 ± 3 نيوتن/مم)، لكن الصلابة الالتوائية للإنزيم المحول للأنجيوتنسين كانت أقل من بدلة الساق + الصفائح الثنائية (6.1 ± 1.3 نيوتن متر/درجة مقابل 10.7 ± 0.2 نيوتن متر/درجة). كانت البدلة الجذعية + الصفيحة أحادية الجانب هي الأقل صلابة في كل من الانحناء والالتواء. كانت العلاقة بين عزم الدوران (طن/نيوتن متر) والضغط المحوري (F/N) هي F = 233.5T. الخلاصة: يعزز التصميم الانضغاطي المحوري لـ ACE الاستقرار الأولي ويسهل التكامل العظمي، والذي يوفر خيارًا بديلاً للتثبيت الكشفي لإعادة بناء الأعضاء الاصطناعية.

Translated Description (French)

Contexte : La fixation métaphysaire pour la reconstruction endoprothétique après la résection de la tumeur osseuse est difficile en raison de la courte longueur osseuse résiduelle et de la forme en entonnoir inversée de la métaphyse. Dans la présente étude, une endoprothèse compressive axiale (ECA) imprimée en 3D avec une tige courte et un mécanisme de compression axiale intramédullaire est proposée pour améliorer la fixation métaphysaire. Les raisons de l'ECA sont que 1) la compression axiale intramédullaire améliore la stabilité de l'endoprothèse et facilite la croissance osseuse au site d'ostéotomie ; 2) la surface métallique poreuse imprimée en 3D à la surface et à la tige de l'ostéotomie permet à la croissance osseuse d'atteindre l'ostéointégration. Méthodes : Une étude biomécanique a été réalisée pour explorer la stabilité initiale à l'aide de Sawbones. Une diaphyse et un défaut segmentaire métaphysaire ont été créés et quatre structures de fixation ont été simulées : 1) ECA ; 2) ECA + plaque latérale ; 3) prothèse de tige + plaque unilatérale ; 4) prothèse de tige + plaques bilatérales. La rigidité en flexion et en torsion a été déterminée avec une machine d'essai de matériaux. La relation entre le couple de l'écrou de compression et la force de compression axiale de la surface de l'implant osseux a été mesurée à l'aide d'un capteur de charge à joint rond. Résultats : La plaque latérale ACE + était la plus rigide dans le test de flexion (sagittale 324,3 ± 110,8 N/mm, coronale 307,7 ± 8,7 N/mm). ACE + plaque latérale et prothèse de tige + plaques bilatérales avaient la rigidité en torsion la plus élevée (10,9 ± 1,3 Nm/° et 10,7 ± 0,2 Nm/° respectivement). La rigidité en flexion de l'ECA était équivalente à celle de la prothèse de tige + plaques bilatérales (sagittale 196 ± 10 N/mm vs 200 ± 7 N/mm, coronale 197 ± 14 N/mm vs 209 ± 3 N/mm), mais la rigidité en torsion de l'ECA était inférieure à celle de la prothèse de tige + plaques bilatérales (6,1 ± 1,3 Nm/° vs 10,7 ± 0,2 Nm/°). La prothèse de tige + plaque unilatérale était la moins rigide à la fois en flexion et en torsion. La relation entre le couple (T/Nm) et la pression axiale (F/N) était F = 233,5T. Conclusion : La conception compressive axiale de l'ECA améliore la stabilité primaire et facilite l'ostéointégration, ce qui offre une option alternative de fixation métaphysaire pour la reconstruction endoprothétique.

Translated Description (Spanish)

Antecedentes: La fijación metafisaria para la reconstrucción endoprotésica después de la resección del tumor óseo es difícil debido a la corta longitud ósea residual y la forma de embudo inverso de la metáfisis. En el presente estudio, se propone una endoprótesis compresiva axial (ECA) impresa en 3D con un vástago corto y un mecanismo compresivo axial intramedular para mejorar la fijación metafisaria. Las razones de la ECA son que 1) la compresión axial intramedular mejora la estabilidad de la endoprótesis y facilita el crecimiento óseo en el sitio de la osteotomía; 2) la superficie metálica porosa impresa en 3D en la superficie y el tallo de la osteotomía permite que el crecimiento óseo logre la osteointegración. Métodos: Se realizó un estudio biomecánico para explorar la estabilidad inicial utilizando Sawbones. Se creó un defecto segmentario diafisario y metafisario y se simularon cuatro estructuras de fijación: 1) ACE; 2) ACE + placa lateral; 3) prótesis de vástago + placa unilateral; 4) prótesis de vástago + placas bilaterales. La rigidez a la flexión y a la torsión se determinó con una máquina de prueba de materiales. La relación entre el par de la tuerca de compresión y la fuerza de compresión axial de la superficie del implante óseo se midió utilizando un sensor de carga de junta redonda. Resultados: La placa lateral ACE + fue la más rígida en la prueba de flexión (sagital 324.3 ± 110.8 N/mm, coronal 307.7 ± 8.7 N/mm). La placa lateral ACE + y la prótesis de vástago + las placas bilaterales tuvieron la mayor rigidez torsional (10.9 ± 1.3 Nm/° y 10.7 ± 0.2 Nm/° respectivamente). La rigidez a la flexión de la ECA fue equivalente a la de la prótesis STEM + placas bilaterales (sagital 196 ± 10 N/mm frente a 200 ± 7 N/mm, coronal 197 ± 14 N/mm frente a 209 ± 3 N/mm), pero la rigidez torsional de la ECA fue inferior a la de la prótesis STEM + placas bilaterales (6,1 ± 1,3 Nm/° frente a 10,7 ± 0,2 Nm/°). La prótesis de vástago + placa unilateral fue la menos rígida tanto en flexión como en torsión. La relación entre el par (T/Nm) y la presión axial (F/N) fue F = 233,5T. Conclusión: El diseño compresivo axial de la ECA mejora la estabilidad primaria y facilita la osteointegración, lo que proporciona una opción alternativa de fijación metafisaria para la reconstrucción endoprotésica.

Files

pdf.pdf

Files (1.2 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:0b2ad9bba53b0dd71af791f2a00a24de
1.2 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يمكن للبديل الداخلي الانضغاطي المحوري الجديد أن يعزز التثبيت الكشطي ويسهل التكامل العظمي: دراسة ميكانيكية حيوية
Translated title (French)
Nouvelle endoprothèse compressive axiale L'ECA peut améliorer la fixation métaphysaire et faciliter l'ostéointégration : une étude biomécanique
Translated title (Spanish)
La nueva endoprótesis compresiva axial ACE puede mejorar la fijación metafisaria y facilitar la osteointegración: un estudio biomecánico

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4311083589
DOI
10.3389/fbioe.2022.1004849

Is supplement to
https://openalex.org/W2907117960 (Other)
https://openalex.org/W2794525755 (Other)
https://openalex.org/W2769316398 (Other)
https://openalex.org/W2486032969 (Other)
https://openalex.org/W2478611623 (Other)
https://openalex.org/W2370540138 (Other)
https://openalex.org/W2265585181 (Other)
https://openalex.org/W2164669195 (Other)
https://openalex.org/W2119728306 (Other)
https://openalex.org/W2097345934 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1968402121
  • https://openalex.org/W1986623684
  • https://openalex.org/W1992179975
  • https://openalex.org/W2024197914
  • https://openalex.org/W2068441597
  • https://openalex.org/W2097856129
  • https://openalex.org/W2102593535
  • https://openalex.org/W2103717877
  • https://openalex.org/W2104938665
  • https://openalex.org/W2122880973
  • https://openalex.org/W2127235751
  • https://openalex.org/W2136454327
  • https://openalex.org/W2170450017
  • https://openalex.org/W2253106209
  • https://openalex.org/W2621542226
  • https://openalex.org/W2771522684
  • https://openalex.org/W2953227842
  • https://openalex.org/W3082619362
  • https://openalex.org/W3110392747
  • https://openalex.org/W3190856011