Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Тrauma" Том 20, №5, 2019

Back to issue

Comparative analysis of the stress-strain state of the bone-implant system in bone osteosynthesis using PHILOS plate with various polylactide implants

Authors: Корж Н.А. (1), Макаров В.Б. (1), Липовский В.И. (2), Танькут А.В. (1)
1 - ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков, Украина
2 - Днепровский национальный университет им. О. Гончара, г. Днепр, Украина

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Актуальність. Переломи проксимального відділу плечової кістки (ПВПК) становлять 5–6 % усіх пошкоджень довгих кісток скелета людини. З метою збільшення жорсткості фіксації хірургічне лікування накістковими пластинами допов-
нюють різними ало- або автотрансплантатами, імплантатами, а також кістковим цементом (тип В і С за AO/ОТА). Авторами як альтернативний імплантат для заміщення дефектів спонгіозної кістки і підтримки кісткових фрагментів головки плечової кістки пропонується використовувати полілактид (PLA) Ingeo™ Biopolymer 4032D. Мета роботи: провести порівняльний аналіз напружено-деформованого стану системи «кістка — імплантат» накісткового остеосинтезу пластиною PHILOS із солідними і пористими 3D-імплантатами з PLA. Матеріали та методи. Для математичного моделювання і порівняльного вивчення напружено-деформованого стану системи «кістка — імплантат» у разі накісткового остеосинтезу змодельована пластина з кутовою стабільністю PHILOS (з нержавіючої сталі), трьохфрагментарний перелом ПВПК з використанням або 2 солідних, або 2 пористих імплантатів PLA з ґратчастими порожнинами. Як об’єкт для побудови плечової кістки використана композитна модель № 3404 лівої плечової кістки фірми Sawbones (Europe AB, Мальме, Швеція), для всіх матеріалів у моделюванні — ізотропна лінійна модель з однаковими фізико-механічними характеристиками для всіх матеріалів. Як інструмент дослідження застосовувався метод кінцевих елементів, реалізований пакетом прикладних програм Ansys. Результати. Порівняльна оцінка впливу форми імплантатів PLA для двох розрахункових схем виконана за допомогою порівняння еквівалентних напружень за Мізесом і полів деформацій для моделей, різних елементів з’єднання і частин системи «кістка — імплантат». Встановлено, що перерозподіл полів напружень в елементах моделі не призводить до її руйнування. Моделі та всі їх елементи задовольняють вимогам міцності. Заміна циліндричного солідного 3D-імплантата на модифікований пористий 3D-імплантат для підтримки суглобової поверхні головки плечової кістки в умовах остеопорозу при остеосинтезі трьохфрагментарного перелому ПВПК накістковою пластиною PHILOS не знижує жорсткості фіксації. Висновки. Порівняльний аналіз напружено-деформованого стану системи «кістка — імплантат» накісткового остеосинтезу пластиною PHILOS з солідними і пористими 3D-імплантатами з PLA показав, що зміна форми імплантатів у розглянутому діапазоні навантаження не впливає на жорсткість системи. Поля деформацій і напружень для розглянутих моделей практично збігаються між собою. У пластині PHILOS та у модифікованих пористих 3D-імплантатах PLA відбувається зменшення напружень на 5 та 4 МПа відповідно. Заміна циліндричної солідної форми 3D-імплантатів PLA на модифіковану пористу є доцільною, тому що дозволяє збільшити площу контакту імплантата PLA з кісткою, а його порожнини можливо використовувати для наповнення плазмою, насиченою тромбоцитами.

Актуальность. Переломы проксимального отдела плечевой кости (ПОПК) составляют 5–6 % всех повреждений длинных костей скелета человека. С целью увеличения жесткости фиксации хирургическое лечение накостными пластинами дополняют различными алло- или аутотрансплантатами, имплантатами, а также костным цементом (тип В и С по AO/ОТА). Авторами в качестве альтернативного имплантата для замещения дефектов спонгиозной кости и поддержки костных фрагментов головки плечевой кости предлагается использовать полилактид (PLA) Ingeo™ Biopolymer 4032D. Цель работы: провести сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния системы «кость — имплантат» накостного остеосинтеза пластиной PHILOS с солидными и пористыми 3D-имплантатами из PLA. Материалы и методы. Для математического моделирования и сравнительного изучения напряженно-деформированного состояния системы «кость — имплантат» при проведении накостного остеосинтеза смоделирована пластина с угловой стабильностью PHILOS (из нержавеющей стали), трехфрагментарный перелом ПОПК с использованием или 2 солидных, или 2 пористых имплантатов PLA с решетчатыми полостями. В качестве объекта для построения плечевой кости использована композитная модель № 3404 левой плечевой кости фирмы Sawbones (Europe AB, Мальме, Швеция), для всех материалов при моделировании — изотропная линейная модель с одинаковыми физико-механическими характеристиками для всех материалов. В качестве инструмента исследования применялся метод конечных элементов, реализованный пакетом прикладных программ Ansys. Результаты. Сравнительная оценка влияния формы имплантатов PLA для двух расчетных схем выполнена при помощи сравнения эквивалентных напряжений по Мизесу и полей деформаций для моделей и различных элементов соединения и частей системы «кость — имплантат». Установлено, что перераспределение полей напряжений в элементах модели не приводит к ее разрушению. Модели и все ее элементы удовлетворяют требованиям прочности. Замена цилиндрического солидного 3D-имплантата на модифицированный пористый 3D-имплантат для поддержания суставной поверхности головки плечевой кости в условиях остеопороза при остеосинтезе трехфрагментарного перелома плечевой кости накостной пластиной PHILOS не снижает жесткости фиксации. Выводы. Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния системы «кость — имплантат» накостного остеосинтеза пластиной PHILOS с солидными и пористыми 3D-имплантатами из PLA показал, что изменение формы имплантатов в рассматриваемом диапазоне нагружения не влияет на жесткость системы. Поля деформаций и напряжений для рассмотренных моделей практически совпадают между собой. В пластине PHILOS и в модифицированных пористых 3D-имплантатах PLA происходит уменьшение напряжений на 5 и 4 МПа соответственно. Замена цилиндрической солидной формы 3D-имплантатов PLA на модифицированную пористую является целесообразной, так как позволяет увеличить площадь контакта имплантата PLA с костью, а его полости возможно использовать для наполнения плазмой, насыщенной тромбоцитами.

Background. Proximal humerus fractures account for 5–6 % of all injuries of the long bones of the human skeleton. In order to increase fixation stiffness, surgical treatment using bone plates is supplemented with various allo- or autografts, implants, as well as bone cement (type B and C according to AO/OTA). The authors suggest the use of Ingeo™ Biopolymer 4032D polylactide (PLA) as an alternative implant for replacing spongy bone defects and supporting bone fragments of the humeral head. The purpose was to conduct a comparative analysis of the stress-strain state of the bone-implant system in bone osteosynthesis using PHILOS plate with solid and porous 3D PLA implants. Material and methods. For mathematical modeling and comparative study of the stress-strain state of bone-implant system during bone osteosynthesis, a plate with angular stability PHILOS (stainless steel), a three-fragment proximal humerus fractures using either 2 solid or 2 porous PLA implants were modeled with lattice cavities. A composite model # 3404 of the left humerus manufactured by Sawbones (Europe AB, Malmö, Sweden) was used as an object for constructing the humerus. For all materials, the simulation used an isotropic linear model with the same physical and mechanical characteristics for all materials. The finite element method implemented by the Ansys application package was used as a research tool. Results. A comparative assessment of the influence of the shape of PLA implants for two calculation models was performed by comparing the equivalent von Mises stresses and deformation fields for models and various elements of the joint and parts of the bone-implant system. It was found that the redistribution of stress fields in the elements of the model does not lead to its destruction. Models and all its elements satisfy the requirements of strength. Replacing a cylindrical solid 3D implant with a modified porous 3D implant to maintain the articular surface of the humeral head under conditions of osteoporosis during osteosynthesis of a three-fragment humerus fracture with PHILOS bone plate does not reduce fixation stiffness. Conclusions. A comparative analysis of the stress-strain state of the bone-implant system in bone osteosynthesis using PHILOS plate with solid and porous 3D PLA implants showed that a change in the implant shape in the considered loading range does not affect the rigidity of the system. The deformation and stress fields for the considered models practically coincide. The stresses in PHILOS plate and in modified porous 3D PLA implants are reduced by 5 and 4 MPa, respectively. Replacing the cylindrical solid form of 3D PLA implants with a modified porous one is appropriate, since it allows us to increase the contact area of the PLA implant with the bone, and its cavities can be filled with platelet-rich plasma.


Keywords

перелом; проксимальний відділ плечової кістки; система «кістка — імплантат»; накістковий остеосинтез; імплантат

перелом; проксимальный отдел плечевой кости; система «кость — имплантат»; накостный остеосинтез; имплантат

fracture; proximal humerus; bone-implant system; bone osteosynthesis; implant


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Bergdahl C., Ekholm C., Wennergren D., Nilsson F., Moller M. Epidemiology and patho-anatomical pattern of 2,011 humeral fractures: data from the Swedish Fracture Register. BMC Musculoskeletal Disord. 2016. 17(1). 10. doi: 10.1186/s12891-016-1009-8.

2. Court-Brown C.M., Garg A., McQueen M.M. The epidemiology of proximal humeral fractures. Acta Orthop. Scand. 2001. 72(4). 365-371. doi: 10.1080/000164701753542023.

3. Court-Brown C.M., Caesar B. Epidemiology of adult fractures: a review. Injury. 2006. 37(8). 691-697. doi: 10.1016/j.injury.2006. 04.130.

4. Lill H., Ellwein A., Katthagen C., Voigt C. Osteoporotische Frakturen am proximalen humerus. Chirurg. 2012. 83(10). 858-865. doi: 10.1007/s00104-012-2337-3.

5. Calvo E., Morcillo D., Foruria A.M., Redondo-Santamarіa E., Osorio-Picorne F., Caeiro J.R. Nondisplaced proximal humeral fractures: high incidence among outpatient-treated osteoporotic fractures and severe impact on upper extremity function and patient subjective health perception. J. Shoulder Elbow. Surg. 2011. 20(5). 795-801. doi: 10.1016/j.jse.2010.09.008.

6. Palvanen M., Kannus P., Niemi S., Parkkari J. Update in the epidemiology of proximal humeral fractures. Clin. Orthop. Relat. Res. 2006. 442. 87-92. doi: 10.1097/01.blo.0000194672.79634.78.

7. Garnavos C., Kanakaris N.K., Lasanianos N.G., Tzortzi P., West R.M. New classification system for long-bone fractures supplementing the AO/OTA classification. Orthopedics. 2012. 35(5). Е709-719. doi: 10.3928/01477447-20120426-26.

8. Savin D.D., Zamfirova I., Iannotti J., Goldberg B.A., Youderian A.R. Survey study suggests that reverse total shoulder arthroplasty is becoming the treatment of choice for four-part fractures of the humeral head in the elderly. Int. Orthop. 2016. 40(9). 1919-1925. doi: 10.1007/s00264-016-3227-y.

9. Gerber C., Werner C.M., Vienne P. Internal fixation of complex fractures of the proximal humerus. J. Bone Joint Surg. 2004. 86-B(6). 848-855. doi: 10.1302/0301-620X.86B6.14577.

10. Howard L., Berdusco R., Momoli F., Pollock J., Liew A., Papp S., Lalonde K.A., Gofton W., Ruggiero S., Lapner P. Open reduction internal fixation vs non-operative management in proximal humerus fractures: a prospective, randomized controlled trial protocol. BMC Musculoskeletal Disord. 2018. 19(1). 10. doi: 10.1186/s12891-018-2223.

11. Matziolis D., Kaeaeb M., Zandi S.S., Perka C., Grei-ner S. Surgical treatment of two-part fractures of the proximal humerus: comparison of fixed-angle plate osteosynthesis and Zifko nails. Injury. 2010. 41(10). 1041-1046. doi: 10.1016/j.injury.2010.04.017.

12. Okike K., Lee O.C., Makanji H., Harris M.B., Vrahas M.S. Factors associated with the decision for operative versus non-operative treatment of displaced proximal hume-rus fractures in the elderly. Injury. 2013. 44(4). 448-455. doi: 10.1016/j.injury.2012.09.002.

13. McLaurin T.M. Proximal humerus fractures in the elderly are we operating on too many? Bull Hosp. Jt. Dis. N. Y. N. 2004. 62(1–2). 24-32.

14. Handoll H.H.G., Ollivere B.J., Rollins K.E. Interventions for treating proximal humeral fractures in adults. Cochrane Database Syst. Rev. 2012. 12. CD000434. doi: 10.1002/14651858.CD000434. pub3.

15. Handoll H.H., Keding A., Corbacho B., Brealey S.D., Hewitt C., Rangan A. Five-year follow-up results of the PROFHER trial comparing operative and non-operative treatment of adults with a displaced fracture of the proximal humerus. Bone Joint J. 2017. 99-B(3). 383-392. doi: 10.1302/0301-620X.99B3.BJJ-2016-1028.

16. Тяжелов А.А., Романенко К.К., Органов В.В., Рами М.А. Абу Хамде Самара. Проблемы и перспективы оперативного лечения переломов диафизов длинных костей конечностей на фоне остеопороза. ХІІІ з’їзд ортопедів-травматологів України. Донецьк, 2001. 294-296.

17. Пат. на корисну модель № 46958 UA, МПК (2009) А61В5/103. Спосіб хірургічного лікування метафізарних і метадіафізарних переломів довгих кісток / Тяжелов О.А., Климовицький В.Г., Карпінський М.Ю., Суббота І.А., Гончарова Л.Д., Хадрі Вадід. № u200907801. Заявл. 24.07.2009; Опубл. 11.01.2010. Бюл. № 1.

18. Климовицький В.Г., Хадрі Вадид, Гончарова Л.Д., Гурін І.В., Тяжелов О.А., Карпінський М.Ю., Суббота І.А. Обґрунтування використання нового імплантаційного матеріалу для фіксації метафізарних переломів. Травма. 2010. 11(1). 27-30.

19. Климовицький В.Г., Тяжелов О.А., Хадрі Вадид. Розробка моделі комбінованого остеосинтезу метафізарних переломів із використанням вуглецевих імплантатів. Травма. 2011. 12(1). 35-38.

20. Дєдух Н.В., Нікольченко О.А., Макаров В.Б. Перебудова кістки навколо полілактиду, імплантованого у діафіз стегнової кістки. Вістник проблем біології і медицини. 2018. 1(142). 275-279. doi: 10.29254/2077-4214-2018-1-1-142-275-279.

21. Макаров В.Б., Липовский В.И., Левадный Е.В., Бойко И.В., Лазаренко Г.О. Экспериментальное исследование жесткости фиксации трехфрагментарного перелома проксимального отдела плечевой кости. Ортопедия, травматология и протезирование. 2018. 4(613). 115-121. doi: 10.15674/0030-598720184115-121.

22. Sawbones: biomechanical test materials: A Division of Pacific Research Laboratories [web source]/Sawbones Europe AB, 2018. 16. Available from: http://www.sawbones.com.

23. Pan Y.A.N.G., Ying Z.H.A.N.G., Jian L.I.U., Jin X.I.A.O., Li Min M.A., Chang Rong Z.H.U. Biomechanical effect of medial cortical support and medial screw support on locking plate fixation in proximal humeral fractures with a medial gap: a finite element analysis. Acta Orthop. Traumatol. Turc. 2015. 49(2). 203-209. doi: 10.3944/AOTT.2015.14.0204.

24. Guide to ANSYS Programmable Features, ANSYS Inc., Canonburg, PA, Auguct 2005.

25. Poppen N.K., Walker P.S. Forces at the glenohumeral joint in abduction. Clin. Orthop. Relat. Res. 1978. 135. 165-170.

Similar articles

Сравнительный анализ напряжений в системе «кость — имплантат» при эндопротезировании головки лучевой кости разными конструкциями
Authors: Страфун С.С. - Отдел микрохирургии и реконструктивно-восстановительной хирургии верхней конечности НИИ травматологии и ортопедии НАМН Украины, г. Киев; Бойко И.В. - Государственное управление делами Президента Украины, ГНУ «НПЦ ПКМ», центр малоинвазивной хирургии, г. Киев; Макаров В.Б. - ГУ «Специализированная медико-санитарная часть № 6», г. Днепропетровск; Щербаков Д.Е. - Отделенческая больница на ст. Кривой Рог Главный; Раджабов О.С. - Частное конструкторское бюро, г. Харьков; Страфун А.С. - Отдел микрохирургии и реконструктивно-восстановительной хирургии верхней конечности НИИ травматологии и ортопедии НАМН Украины, г. Киев
"Тrauma" Том 16, №3, 2015
Date: 2015.08.06
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Эндопротезирование при полифрагментарных переломах головки плечевой кости
Authors: А.Е.Лоскутов, В.Н.Томилин - Днепропетровская государственная медицинская академия, Днепропетровск, Украина
"Тrauma" Том 11, №4, 2010
Date: 2011.08.29
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Анализ напряженного состояния элементов системы «бедренная кость — имплантат» при функциональных нагрузках эндопротеза тазобедренного сустава
Authors: Лоскутов О.А. - Днепропетровская медицинская академия; Левадный Е.В. - Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара
"Тrauma" Том 16, №6, 2015
Date: 2016.01.12
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Новое в профилактической ортопедии. Хирургическое армирование патологически измененной кости с целью предупреждения   ее переломов у лиц пожилого возраста
Authors: Матвеев А.Л.1, Минасов Б.Ш.2, Минасов Т.Б.2, Нехожин А.В.3, Степанов О.Н.1, 1 ГБУЗ Самарской области, Центральная городская больница, г. Новокуйбышевск, 2 Башкирский государственный медицинский университет, г. Уфа, 3 Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия
"Тrauma" Том 14, №2, 2013
Date: 2013.05.15
Categories: Rheumatology, Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue