Optimization of distribution of porosity of a short metaphyseal femoral stem with respect to the strain field and the micromotion

Abstract

Introduction: Short-stem total hip arthroplasty is a treatment method for hip osteoarthritis, but long-term complications such as stress shielding and aseptic loosening can lead to hardware failure. Stems with increased porosity toward the distal end were discovered to be effective at reducing stress shielding; however, there is a lack of research on customized porous distributions in stem coatings. This study aimed to optimize the porous distribution of the coat of a metaphyseal femoral stem, aiming to reduce stress shielding in the proximal area. Materials and Methods: A finite element analysis model of an implanted, titanium alloy short-tapered wedge stem featuring a porous coating made of titanium was designed to simulate a static structural analysis of the femoral stem's behavior under axial loading in Analysis System Mechanical Software, with the coefficients of friction in nine areas of the coat as variables and providing information on the strain distribution. For computational feasibility, 500 combinations of coefficients of friction were randomly sampled. Results: The 17 models achieved increased strains in the proximal medial areas (M1, M2) and in the proximal lateral area (L1) and decreased strains in the distal medial and lateral areas (M5, M6, M7, L4, L6 and L7). An increased coefficient of friction was observed for the lateral porous coating and proximal medial porous coating. The coefficients of friction in the distal lateral porous coating (O4 and O5) strongly influenced the mid-distal medial femoral area (M3, M4 and M5), the proximal and mid-lateral femoral areas (L1, L2 and L3) and the distal lateral femoral area (L5). An increase in the coefficients of friction in the proximal lateral porous coating (O2) and in the distal lateral porous coating (O5) and a decrease in the coefficients of friction in the mid-distal porous coatings (O4, I3 and I4) resulted in increased strains proximally and decreased strains distally. Conclusions: We found that increased coefficients of friction in proximal and distal lateral porous coatings and decreased coefficients of friction in mid-distal porous coatings could result in strains biomechanically closer to intact bone. A customized porous distribution could reduce stress shielding in short femoral stems.

Εισαγωγή: Ολική αρθροπλαστική με μικρό στυλεό αποτελεί θεραπεία για την οστεοαρθρίτιδα ισχίου, αλλά οι μακροχρόνιες επιπλοκές όπως το φαινόμενο υποκλοπής φορτίων μπορεί να οδηγήσουν σε άσηπτη χαλάρωση της πρόθεσης. Οι προθέσεις με αυξανόμενο πορώδες προς το περιφερικό άρκο φάνηκαν αποτελεσματικές στην μείωση του φαινομένου της υποκλοπής φορτίων, ωστόσο, υπάρχει έλλειψη αναφορών στην βιβλιογραφία σχετικά με την εξατομικευμένη κατανομή του πορώδους στην επιφάνεια της πρόθεσης. Μέθοδοι και υλικά: Ενα μοντέλο πεπερασμένων δεδομένων αποτελούμενο από μία εμφυτευμένη κοντή μεταφυσιακή πρόθεση ισχίου από αλλόη τιτανίου σχεδιάστηκε να προσομοιώσει μια στατική δομική ανάλυση της συμπεριφοράς του μηριαίου στελέχους υπό αξονική φόρτιση στο Analysis System Mechanical Software, έχοντας ως μεταβλητές τους συντελεστές τριβής σε εννέα περιοχές της επιφάνειας του πορώδους και παρέχοντας πληροφορίες για την κατανομή των τάσεων. Αποτελέσματα: Δεκαεφτά μοντέλα είχαν ως αποτέλεσμα την αύξηση των παραμορφώσεων στις εγγύς έσω περιοχές (M1, M2) και στην εγγύ έξω περιοχή (L1), και μείωση των παραμορφώσεων στην περιφερική έσω και έξω περιοχή του μηριαίου (M5, M6, M7, L4, L6 and L7). Αυτά είχαν αυξημένο συντελεστή τριβής στην εξωτερική επιφάνεια του πορώδους και στην εγγύς έσω επιφάνεια του πορώδους. Οι συντελεστές τριβής στην περιφερική έξω περιοχή του πορώδους (Ο4 και Ο5) επηρέασαν έντονα την μέση και περιφερική έσω περιοχή του μηριαίου (M3, M4 και M5), την εγγύς και μέση έξω περιοχή του μηριαίου (L1, L2 και L3) και στην περιφερική έξω περιοχή του μηριαίου (L5). Η αύξηση των συντελεστών τριβής στην εγγύς έξω επιφάνεια του πορώδους (O2) και στην περιφερική έξω επιφάνεια του πορώδους (O5) και η μείωση των συντελεστών τριβής στη μέση και άπω περιοχή της επιφάνειας του πορώδους (O4, I3 και I4) οδήγησε σε αυξημένες παραμορφώσεις εγγύς και μειωμένες παραμορφώσεις περιφερικά. Συμπεράσματα: Διαπιστώσαμε ότι οι αυξημένοι συντελεστές τριβής στην εγγύς και περιφερική έξω επιφάνεια του πορώδους και μειωμένοι αυξημένοι συντελεστές τριβής στην μέση και περιφερική επιφάνεια του πορώδους είχαν ως αποτέλεσμα παραμορφώσεις εμβιομηχανικά πιο κοντά στο άθικτο οστό. Η εξατομικευμένη κατανομή του πορώδους θα μπορούσε να μειώσει το φαινόμενο υποκλοπής φορτίων στις κοντές μεταφυσιακές προθέσεις ισχίου.