Experimental assessment of the primary stability of osseointegrated transfemoral implants

Abstract

Osseointegrierte Implantate bleiben trotz ihrer zahlreichen Vorteile eine seltene prothetische Option für transfemorale Amputierte. Die langwierigen postoperativen Rehabilitationsprogramme, die von Klinikern verschrieben werden, bleiben jedoch die Hauptursache für die Unzufriedenheit der Patienten. Um kürzere und effektivere Rehabilitationsprogramme zu erreichen, ist es notwendig, die Auswirkungen der physiologischen Belastung auf den Osseointegrationsprozess besser zu charakterisieren..Die Dehnung rund um das Implantat und die Mikrobewegungen zwischen Implantat und Knochen gelten als entscheidende Faktoren für die Förderung oder Hemmung der Osseointegration. Diese können während der Belastung jedoch nicht direkt gemessen werden. Ein FE-Modell, das mit experimentellen Daten der Verschiebungs- und Dehnungsfelder der Knochenoberfläche abgestimmt ist, könnte diese indirekt erfassen. Ein experimentelles Setup wurde entwickelt, um den Fersenauftritt unter physiologischen Bedingungen nachzuahmen und die relativen Verschiebungen zwischen Knochen und Implantat sowie die Veränderung der Abstände zwischen drei verschiedenen anatomischen Stellen der Knochenoberfläche zu bewerten. Dieses Setup wurde an 8 frisch eingefrorenen amputierten menschlichen Spenderfemora und einem OPRA-Implantatsystem für transfemorale Amputierte getestet.Mit diesem Setup war es möglich, relative Verschiebungen zwischen verschiedenen Stellen auf der Knochenoberfläche unter physiologischer Belastung zu messen. Die gemessenen Werte für die Relativverschiebungen zwischen Abutment und Knochenmarker (-0.049 ± 0.025 μm) entsprechen den in der Literatur berichteten Werten für eine erfolgreiche Osseointegration (weniger als 150 μm).

Osseointegrated Implants remain a minority prosthetic option for transfemoral amputees despite the numerous advantages that they involve. However, the extensive duration of the postsurgical rehabilitation programs prescribed by clinicians continues to be the main cause of patient dissatisfaction. To achieve shorter and more effective rehabilitation programs, it is necessary to better characterize the impact of physiological loading on the osseointegration process.Periprosthetic strain and implant-bone micromotion have been known to be critical factors that might enhance or hinder osseointegration but can not be measured directly during loading. However, this might be indirectly measured by means of an FE model tuned with experimental data of the displacement and strain fields of the bone surface. An experimental setup recreating the heel strike under physiological loading conditions was developed for the evaluation of bone-implant relative displacement as well as the relative distance variation between 3 different anatomical locations of the bone surface, using a servohydraulic load frame and a stereographic motion tracking system. This setup was tested using 8 fresh frozen amputated human donor femora and one OPRA implant system for transfemoral amputees. Using this setup, it was possible to measure relative displacements between different locations on the bone surface under physiological loading. The recorded values for abutment-bone marker relative displacements at the highest load level exerted (-0.049 ± 0.025 μm at 1300 N) are compatible with those reported in the literature to be compatible with osseointegration (less than 150 μm).