Three-dimensional printing (3DP) applications possess substantial versatility within surgical applications, such as complex reconstructive surgeries and for the use of surgical resection guides. The capability of constructing an implant from a series of radiographic images to provide personalized anatomical fit is what makes 3D printed implants most appealing to surgeons. Our objective is to describe the process of integration of 3DP implants into the operating room for spinal surgery, summarize the outcomes of using 3DP implants in spinal surgery, and discuss the limitations and safety concerns during pre-operative consideration. 3DP allows for customized, light weight, and geometrically complex functional implants in spinal surgery in cases of decompression, tumor, and fusion. However, there are limitations such as the cost of the technology which is prohibitive to many hospitals. The novelty of this approach implies that the quantity of longitudinal studies is limited and our understanding of how the human body responds long term to these implants is still unclear. Although it has given surgeons the ability to improve outcomes, surgical strategies, and patient recovery, there is a need for prospective studies to follow the safety and efficacy of the usage of 3D printed implants in spine surgery.
Park, Won-Man;Kim, Ki-Tack;Hong, Gyu-Pyo;Kim, Yoon-Hyuk;Oh, Taek-Yul
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.13
no.1
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pp.58-66
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2008
The artificial discs have recently used to preserve the motion of the treated segment in lumbar spine surgery. However, there have been lack of biomechanical information of the artificial discs to explain current clinical controversies such as long-term results of implant wear and excessive facet contact forces. In this study, we investigated the biomechanical effects of three artificial implants on the lumbar spinal segments by finite element analysis. The finite element model of intact lumbar spine(L1-S) was developed and the three implants were inserted in L4-L5 segment of the spine model. 5 Nm of flexion and extension moments were applied on the superior plate of L1 with 400 N of compressive load. Excessive motions and high facet contact forces at the surgical level were generated in the all three implanted models. In the flexion, the peak von-Mises stresses in the semi-constrained type implant was higher than those in the un-constrained type implant which would cause wear on the polyethylene core. The results of the study would provide a biomechanical guideline for selecting optimal surgical approach or evaluating the current design of the implants, or developing a new implant.
Kaya, A. Arslan;Kaya, R. Alper;Witte, Frank;Duygulu, Ozgur
Corrosion Science and Technology
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v.7
no.3
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pp.162-167
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2008
Degradable implants have been in use for bone surgery for decades. However, degradable metal implants are one of the new research areas of biomaterials science. Magnesium has good biocompatibility due to its low toxicity, and it is a corroding, i.e. dissolvable, metal. Furthermore, magnesium is needed in human body, and naturally found in bone tissue. There have been some published reports also asserting the potential bone cell activation or bone healing effect of high magnesium ion concentrations. The classic method for achieving intertransverse process fusion involves autogenous iliac crest bone graft. Several investigations have been performed to enhance this type of autograft fusion. However, there is no research which has been undertaken to investigate the efficiency of pure magnesium particles in posterolateral spinal fusion. In this study, corrosion behavior of magnesium metal at the bone interface, the possibility of new bone cell formation and the degree of effectiveness in producing intertransverse process lumbar fusion in a sheep model have been investigated. Cortical bone screws were machined from magnesium alloy AZ31 extruded rod and implanted to hip-bones of sheep via surgery. Three months after surgery, the bone segments carrying these screws were removed from the sacrificed animals. Samples were sectioned to reveal Mg/bone interfaces and investigated using optical microscope, SEM-EDS and radiography. Optical and SEM images showed that there was a significant amount of corrosion on the magnesium screw. The elemental mapping results indicate, due to the presence of calcium and phosphorus elements, that there exists new bone formation at the interface. Furthermore, sixteen sheep were subjected to intertransverse process spinal fusions with pedicle screw fixation at various locations along their spines. Each animal was treated with 5cc autograft bone at one fusion level and 1cc magnesium+5cc autograft bone at the other. Six months after surgery, bone formation was evaluated by gross inspection and palpation, and radiological, histological, scanning electron microscopic and x-ray diffraction analyses. It may be stated that the potential for using useful corrosion of magnesium alloys in medical applications is expected to be significant.
Park, Joon-Sik;Seo, Tae-Il;Bae, Jong-Suk;Yoon, Gil-Sang
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.15
no.3
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pp.127-131
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2006
Existing orthopedic implants such as pedicle screw and spinal cage were designed to fix the spinal structure. But, nowadays, physicians want to rehabilitate there original functions. To achieve this request, we studied micro-movable structure for interspinous. As a first step, we designed interspinous structure by 3D CAD to join each spinous processes. Next, we simulate it with various factors such as the thickness of micro-movement structure and the design of clip. At last, we performed static compressive test to satisfy the failure load of 339N and dynamic endurance test of 1.2M cycle. As a result, we developed interspinous implant and did several surgery to evaluated its satisfaction.
Objective : To investigate the effects of posterior implant rigidity on spinal kinematics at adjacent levels by utilizing a cadaveric spine model with simulated physiological loading. Methods : Five human lumbar spinal specimens (L3 to S1) were obtained and checked for abnormalities. The fresh specimens were stripped of muscle tissue, with care taken to preserve the spinal ligaments and facet joints. Pedicle screws were implanted in the L4 and L5 vertebrae of each specimen. Specimens were tested under 0 N and 400 N axial loading. Five different posterior rods of various elastic moduli (intact, rubber, low-density polyethylene, aluminum, and titanium) were tested. Segmental range of motion (ROM), center of rotation (COR) and intervertebral disc pressure were investigated. Results : As the rigidity of the posterior rods increased, both the segmental ROM and disc pressure at L4-5 decreased, while those values increased at adjacent levels. Implant stiffness saturation was evident, as the ROM and disc pressure were only marginally increased beyond an implant stiffness of aluminum. Since the disc pressures of adjacent levels were increased by the axial loading, it was shown that the rigidity of the implants influenced the load sharing between the implant and the spinal column. The segmental CORs at the adjacent disc levels translated anteriorly and inferiorly as rigidity of the device increased. Conclusion : These biomechanical findings indicate that the rigidity of the dynamic stabilization implant and physiological loading play significant roles on spinal kinematics at adjacent disc levels, and will aid in further device development.
"Dynamic stabilization" systems have been developed in recent years to treat degenerative disorders of the spinal column. In contrast to arthrodesis (fusion), the aim here is to conserve intervertebral mobility to maximize comfort. When developing innovative concepts, many mechanical tests need to be carried out in order to validate the different technological solutions. The present study focuses on the B Dyn$^{(R)}$ "dynamic stabilization" device (S14$^{(R)}$ Implants, Pessac, France), the aim being to optimize the choice of polymer material used for one of the implant's components. The device allows mobility but also limit the range of movement. The stiffness of the ring remains a key design factor, which has to be optimized. Phase one consisted of static tests on the implant, as a result of which a polyurethane (PU) was selected, material no.2 of the five elastomers tested. In phase two, dynamic tests were carried out. The fatigue resistance of the B Dyn$^{(R)}$ system was tested over five million cycles with the properties of the polymer elements being measured using dynamic mechanical analysis (DMA) after every million cycles. This analysis demonstrated changes in stiffness and in the damping factor which guided the choice of elastomer for the B Dyn$^{(R)}$ implant.
Cho, Pyung Goo;Ji, Gyu Yeul;Park, Sang Hyuk;Shin, Dong Ah
Asian Spine Journal
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v.12
no.6
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pp.1092-1099
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2018
Study Design: In-vitro biomechanical investigation. Purpose: To evaluate the biomechanical effects of the degeneration of the biodegradable cervical plates developed for anterior cervical discectomy and fusion (ACDF) on fusion and adjacent levels. Overview of Literature: Biodegradable implants have been recently introduced for cervical spine surgery. However, their effectiveness and safety remains unclear. Methods: A linear three-dimensional finite element (FE) model of the lower cervical spine, comprising the C4-C6 vertebrae was developed using computed tomography images of a 46-year-old woman. The model was validated by comparison with previous reports. Four models of ACDF were analyzed and compared: (1) a titanium plate and bone block (Tita), (2) strong biodegradable plate and bone block (PLA-4G) that represents the early state of the biodegradable plate with full strength, (3) weak biodegradable plate and bone block (PLA-1G) that represents the late state of the biodegradable plate with decreased strength, and (4) stand-alone bone block (Bloc). FE analysis was performed to investigate the relative motion and intervertebral disc stress at the surgical (C5-C6 segment) and adjacent (C4-C5 segment) levels. Results: The Tita and PLA-4G models were superior to the other models in terms of higher segment stiffness, smaller relative motion, and lower bone stress at the surgical level. However, the maximal von Mises stress at the intervertebral disc at the adjacent level was significantly higher in the Tita and PLA-4G models than in the other models. The relative motion at the adjacent level was significantly lower in the PLA-1G and Bloc models than in the other models. Conclusions: The use of biodegradable plates will enhance spinal fusion in the initial stronger period and prevent adjacent segment degeneration in the later, weaker period.
Objective : To investigate the biomechanical effects of a newly proposed Interspinous Process Compressor (IPC) and compare with pedicle screw fixation at surgical and adjacent levels of lumbar spine. Methods : A three dimensional finite element model of intact lumbar spine was constructed and two spinal fusion models using pedicle screw fixation system and a new type of interspinous devices, IPC, were developed. The biomechanical effects such as range of motion (ROM) and facet contact force were analyzed at surgical level (L3/4) and adjacent levels (L2/3, L4/5). In addition, the stress in adjacent intervertebral discs (D2, D4) was investigated. Results : The entire results show biomechanical parameters such as ROM, facet contact force, and stress in adjacent intervertebral discs were similar between PLIF and IPC models in all motions based on the assumption that the implants were perfectly fused with the spine. Conclusion : The newly proposed fusion device, IPC, had similar fusion effect at surgical level, and biomechanical effects at adjacent levels were also similar with those of pedicle screw fixation system. However, for clinical applications, real fusion effect between spinous process and hooks, duration of fusion, and influence on spinous process need to be investigated through clinical study.
Objective: To assess the efficacy of cervical open-door laminoplasty by hydroxyapatite implant insertion between the lamina and the lateral mass without suturing. Methods: All patients who underwent cervical open-door laminoplasty with C2/C7 undermining and insertion of hydroxyapatite implants from C3 to C6 were retrospectively evaluated for surgical time and neurological outcomes according to the Japanese Orthopaedic Association (JOA) score. To assess the alignment of the cervical spine and postoperative cervical pain, the C2-7 angle and a visual analogue scale score were used, respectively. Results: The population consisted of 102 women and 222 men ranging in age from 32 to 90 years. The average surgical time was 86 minutes. Fourteen of 1,296 hydroxyapatite implants were kept in place with sutures due to a weak restoration force of the hinge during surgery. No hydroxyapatite implant dislocation was detected on cervical computed tomography at 1 year after surgery. The average JOA score was $10.2{\pm}2.5$ before surgery and $14.6{\pm}2.8$ at 1 year after surgery. The average recovery rate was 61.8%. The average C2-7 angle at the neutral position was $7.1^{\circ}{\pm}6.2^{\circ}$ before surgery and $6.5^{\circ}{\pm}6.3^{\circ}$ at 1 year after surgery. Conclusion: This method enabled us to achieve minimal exposure of the lateral mass, prevention of lateral mass injury and dural injury, and a shorter surgical time while maintaining acceptable surgical outcomes. The idea that firm suture fixation is needed to prevent spacer deviation during cervical open-door laminoplasty may need to be revisited.
Objective : The aim of this study was to compare the clinical and radiological outcomes associated with the use of hydroxyapatite (HA) spacer and allogeneic bone (AB) spacer in laminoplasty. Methods : From January 2006 to July 2014, 79 patients with cervical spondylotic myelopathy or ossification of the posterior longitudinal ligament underwent cervical laminoplasty. The radiologic parameters were obtained from plain radiography and three-dimensional computed tomography. All images were taken before and after surgery. Cervical lordosis, spinal canal dimension, fusion between lamina and spacer, and resorption of spacer were checked. Clinical outcomes were assessed using visual analog scale and Japanese Orthopedic Association. Results : Double-door laminoplasty was performed on 280 levels : 182 in the HA group and 98 in the AB group. The mean follow-up was 23.1 months (range : 4-69 months). Similar fusion rates were found in these groups (p=0.3). The resorption rate between lamina and spacer was lower in the HA group (p<0.001). During the immediate postoperative period, the canal dimension of both groups increased compared with the results in the preoperative period. However, the canal dimension of the AB group decreased over time compared with that of the HA group (p<0.001). Conclusion : Double-door laminoplasty improved the clinical outcomes of both groups. However, the spinal canal dimension in the AB group showed a greater degree of reduction than in the HA group at the final postoperative follow-up. Therefore, we suggest that surgeons consider the use of larger-sized AB spacers in double-door laminoplasties.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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