A Morphology-Based Failure Criterion for Implanted Bone Screws

Abstract

Die mechanische Fixation mittels Osteosyntheseschrauben ist entscheidend für den Erfolg vieler orthopädischer Eingriffe. Die zuverlässige Vorhersage des Schraubenverhaltens gestaltet sich jedoch schwierig, da sie von komplexen Wechselwirkungen zwischen Implantatdesign, Belastungsbedingungen und der lokalen Knochenmorphologie abhängt. Diese Dissertation untersucht, wie die periimplantäre Knochenstruktur das mechanische Verhalten von Osteosyntheseschrauben beeinflusst und entwickelt morphologiebasierte Ansätze zur Verbesserung des experimentellen Designs und der klinischen Entscheidungsfindung. Als erstes wird ein Protokoll zur Auswahl geeigneter Tierknochenproben für mechanische Tests vorgestellt, das auf der CT-basierten periimplantären Morphologie von 360 Osteosyntheseschrauben in 36 menschlichen Radii basiert. Hierfür wurde ein multiparametrischer Bone Similarity Score (BoSS) entwickelt, mit den anatomischen Regionen in Tierknochen (Schwein und Schaf) identifiziert werden können, die der menschlichen periimplantären Morphologie am ähnlichsten sind. Diese Methode bietet einen objektiven und reproduzierbaren Ansatz zur Auswahl präklinischer Knochenmodelle und trägt dazu bei, menschliche Bedingungen auch ohne verfügbare Kadaverspender möglichst realitätsnah zu replizieren. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Grenzen herkömmlicher monotoner Tests zur Beurteilung der Implantatstabilität aufgezeigt. Hierfür wurde ein mehrachsiger Prüfaufbau entwickelt, der physiologische Belastungsbedingungen realistischer abbildet. Mit einem zyklischen Überlastungsprotokoll wurde die fortschreitende Schädigung der Knochen–Schrauben-Schnittstelle quantifiziert. Über axiale, Scher- und kombinierte Lastfälle hinweg konnte ein kritischer Übergangspunkt für das Versagen identifiziert werden – typischerweise bei etwa 20 % der maximalen Versagenskraft – der durch eine deutliche Zunahme der Energiedissipation und plastischen Deformation gekennzeichnet ist. Dieses „Streckgrenzen-ähnliche“ Verhalten definiert eine potenzielle mechanische Schwelle für den Verlust der primären Stabilität von winkelstabilen Schraubenkonstrukten. Abschließend wurde der Zusammenhang zwischen periimplantärer Knochenmorphologie und Schraubenversagen in zehn verschiedenen Belastungskonfigurationen untersucht. Hierzu wurden Mikro-CT-Aufnahmen und mechanische Tests an Schweineknochenproben durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass lokale morphometrische Kennwerte – insbesondere das periimplantäre Knochenvolumen (BV) und der trabekuläre Knochenvolumenanteil (BV/TV) – hochgradig mit den Versagenskräften der Schrauben korrelieren und bis zu 90 % der beobachteten Varianz erklären können. Diese Befunde deuten darauf hin, dass bildbasierte morphologische Parameter nicht nur zur Risikobewertung, sondern auch zur Planung der optimalen Schraubenplatzierung genutzt werden können. Insgesamt definiert die Dissertation ein Set an Methoden zur Analyse und Vorhersage des mechanischen Verhaltens implantierter Osteosyntheseschrauben. Durch die schrittweise Untersuchung, wie die periimplantäre Knochenmorphologie charakterisiert wird, wie mechanisches Versagen entsteht und inwieweit sich dieses aus der Struktur allein vorhersagen lässt, wird gezeigt, dass eine kleine Gruppe quantitativer morphometrischer Kennwerte – insbesondere BV und BV/TV – wertvolle Informationen für das präklinische Testdesign und die klinische Implantatplanung liefern kann. Damit leistet die Arbeit einen Beitrag zu einem vertieften Verständnis der Knochen–Implantat-Interaktion und zur Weiterentwicklung patientenspezifischer Planungsstrategien in der orthopädischen Schraubenosteosynthese.

Mechanical fixation using osteosynthesis screws is fundamental to the success of many orthopaedic procedures. However, accurately predicting screw performance remains challenging due to the complex interactions between implant design, loading conditions, and local bone morphology. This dissertation investigates how peri-implant bone structure influences the mechanical response of bone screws and proposes morphology-based strategies for improving experimental design and clinical decision-making. First, a protocol for selecting animal bone samples for mechanical testing is introduced, based on the local CT-derived peri-implant bone morphology of 360 osteosynthesis screws implanted in 36 human radii. A multi-parametric Bone Similarity Score (BoSS) was developed to identify anatomical regions in animal bones (pork and sheep) that most closely resemble human peri-implant morphology. This method offers an objective, reproducible approach to selecting preclinical bone analogues and addresses the challenge of replicating human-like conditions in the absence of suitable cadaveric specimens. Second, the dissertation explores the limitations of traditional monotonic testing for assessing implant stability. A multi-axial testing set-up was developed to simulate physiological loading more realistically while a cyclic overloading protocol was used to quantify the progressive degradation of the bone–screw interface. Across axial, shear, and mixed load cases, a critical transition point was identified—typically around 20% of the maximum failure force—characterized by a marked increase in energy dissipation and permanent deformation. This yield-like behaviour provides a potential mechanical threshold for defining the loss of primary stability in locking screw constructs. Finally, the relationship between peri-implant bone morphology and screw failure mechanics was studied across ten distinct loading configurations using micro-CT imaging and mechanical testing of porcine bone samples. Results demonstrated that local morphometric indices, particularly peri-implant bone volume (BV) and trabecular bone volume fraction (BV/TV), were highly predictive of screw failure forces, accounting for up to 90% of the observed variance. These findings suggest that image-derived morphological parameters can be used not only for risk assessment but also for planning optimal screw placement. Together, the dissertation defines a morphology-based framework for understanding and predicting the mechanical performance of implanted bone screws. By sequentially addressing how peri-implant bone morphology is characterized, how mechanical failure manifests, and whether such failure can be predicted from structure alone, the research demonstrates that a small set of quantitative morphometric descriptors—mainly BV and BV/TV—can meaningfully inform both preclinical test design and clinical implant strategies. This contributes to a more nuanced understanding of bone–implant interactions and advances the goal of patient-specific planning in orthopaedic screw fixation.