Primärstabilität von unzementierten Press-FitImplantaten am Anwendungsfall des Oberflächenersatzes im Hüftgelenk

Abstract

Im Vergleich zu zementierten Totalhüftendoprothesen (TEP) mit formschlüssiger Knochen-Implantat-Verbindung, weisen unzementierte Implantate mit kraftschlüssiger Reibpaarung eine geringere Primärstabilität auf. Bei genügender initialer Verankerung im Knochen und limitierter Grenzflächenmikrobewegung, um den Knocheneinwuchs zu ermöglichen, haben derartige Befestigungen jedoch das Potential für eine Langzeitstabilität, die den zementierten Versionen wegen eines möglichen Zementversagens überlegen ist. Klinisch wird das unzementierte Verfahren bereits seit längerem erfolgreich bei TEP auf der Oberschenkel als auch der Beckenseite angewendet. Bei modernen knochenerhaltenden Oberflächenersatzprothesen hat sich die Press-Fit Verankerung auf Grund einer höheren Problemrate beim Einbau jedoch noch nicht etabliert. Ziel dieser Arbeit war die Identifikation der für eine erfolgreiche Primärstabilität wesentlichen Einflussfaktoren und die Bestimmung optimaler Parameterbereiche für den klinischen Alltag und für das Design neuer Implantate. Zur Untersuchung dieser Problematik wurde ein patientenspezifisches numerisches Modell des Oberschenkelknochens einschließlich des Implantats erstellt und validiert. Auf dessen Basis erfolgte eine umfassende Parameterstudie, welche die Variation des Übermaßes zwischen Knochen und Implantat (Press-Fit), der Implantatoberflächenrauhigkeit, der Knochenqualität sowie der Implantationsmethode (Aufschlagen, Aufschrumpfen) einschloss. Das verwendete Kontinuummodell bildete dabei die plastische Verformung des Knochens durch den 'Press-Fit', nicht aber die Abscherung sowie die trabekuläre Mikrostruktur des spongiösen Gewebes ab. Aus diesem Grund wurde ein experimenteller Versuchsaufbau entwickelt um die µCT basierte Analyse der Knochendeformation während der Implantation für eine breite Variation von Parametern (Rauhigkeit, Übermaß, Knochenstruktur) untersuchen zu können. Das Ausmaß des 'Press-Fits' sowie die Knochenqualität wurden als wichtige Einflussfaktoren für eine ausreichende Primärstabilität identifiziert. Zudem hatten die Implantationsmethode sowie das Implantatdesign einen starken Einfluss auf die Belastung und Schädigung des Knochens. Speziell für hohe Oberflächenrauhigkeiten stieg der Anteil von Scherkräften auf das Ausmaß der für die Primärstabilität maßgebenden Normalkräfte. Mit moderaten radialen Übermaßen (50µm) war die Mikrobewegung auf Werte stabilisierbar, die Knocheneinwuchs ohne Überbelastung des Knochens ermöglichen. Eine vielversprechende Implantationsmethode der Zukunft könnte das radiale Aufschrumpfen derartiger Prothesen darstellen.

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In comparison to cemented hip implants which offer a form closure (interdigitation) with the bone, uncemented implants based on a force closure (Press-Fit) with frictional contact show a reduced primary stability. With a sufficient anchorage at the bone in order to minimize relative motions at the bone-implant interface, which could inhibit bone ingrowth, these prosthesis have the potential for a superior secondary stability compared to cemented versions which could suffer from cement failure. Clinically uncemented versions of total hip prosthesis for the femur and the acetabulum are used for a longer period of time. For modern bone preserving surface replacements the uncemented Press-Fit anchorage has not become widely accepted yet, due to an increased postoperative failure rate. The aim of this work was therefore the identification of crucial parameters and optimal parameter ranges for clinical practice, which provoke a successful primary stability and allow optimizing the implant design. To investigate these problems a patient specific numerical model of the proximal human femur including the implant was developed and validated. Based on this model an extensive parameter study with varying interference between bone and implant (Press-Fit), interface friction coefficient, bone quality as well as implantation method (axial impaction, radial expansion) was performed. The used continuum bone model was also accounting for the post-yield bone deformation which is introduced during ‘Press-Fitting’ but not for the trabecular micro architecture of cancellous bone and the abrasion of single trabeculars. Due to this limitation an experimental set-up based on µCT measurements was developed in order to analyse the plastic bone deformation during implantation for a wide variation of parameters (friction coefficient, interference, bone architecture). The amount of Press-Fit and bone quality were identified as important parameters affecting the primary stability. Additionally the implantation method and implant design showed a strong influence on the bone loading and damage. Especially for high friction coefficients at the interface the amount of unnecessary shear forces increases to values similar as the normal forces which are predominantly influencing primary stability. With moderate radial interferences of 50µm the micro motion was stabilized at values allowing bone ingrowth without overloading the bone. A promising future option might be an implantation method using the radial shrinking technique of the prosthesis onto the bone in order to avoid abrasion processes at the interface.

The fulltext of this thesis has been replaced after publication on 2011/06/20 with a corrected version.