Cherfi Mohamed;Zagane Mohammed El Sallah;Moulgada Abdelmadjid;Ait Kaci Djafar;Benouis Ali;Zahi Rachid;Sahli Abderahmen
Structural Engineering and Mechanics
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제91권3호
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pp.251-262
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2024
Numerical modeling using the finite element method (FEM) offers crucial insights into the mechanical behavior of prostheses, including stress and strain distribution, load transfer, and stress intensity factors. Analyzing cracking in PMMA surgical cement (polymethylmethacrylate) for total hip prostheses (THP) is essential for understanding the loosening phenomenon, as the rupture of orthopedic cement is a primary cause. By understanding various failure mechanisms, significant advancements in cemented total prostheses can be achieved. This study performed a numerical analysis using a 3D FEM model to evaluate stress levels in different THP models, aiming to model damage in the orthopedic cement used in total hip arthroplasty. Utilizing ABAQUS software, FEM, and XFEM, the damage in three types of THPs-Charnley (CMK3), Osteal (BM3), and THOMPSON was modeled under stumbling loading conditions. XFEM allowed for the consideration of crack propagation between the cement and bone, while the GEARING criterion employed a user-defined field subroutine to model damage parameters. The study's findings can contribute to improving implant fixation techniques and preventing postoperative complications in orthopedic surgery.
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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제27권6호
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pp.491-497
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2001
Polymethylmethacrylate(PMMA) is currently commonly used material for the reconstruction of bone defects and fixation of joint prosthetics following congenital and acquired causes. Although PMMA has widespread use, it does not possess the ideal mechanical characteristics with osteoconductivity and osteoinductivity required. In order to overcome these problem, addition of bovine bone drived defatting demineralized bone(BDB) powders to a PMMA bone cement was done for improvement of physical property and bone forming characteristics of composite. In order to investigate the influence of BDB reinforcement on the PMMA, we measured physical property of compressive, tensile, flexural strength, and scanning electron microscopic examinations. The results were obtained as follows: 1. The PMMA forms a solid cellular matrix with open cells about $100{\mu}m$ in variable size and incorporating BDB. BDB aggregates inside the cells form a porous network that is accessible from the outer surface. 2. The physical properties were compressive strength of mean $22.74{\pm}1.69MPa$, tensile strength of mean $22.74{\pm}1.69MPa$, flexural strength of mean $77.53{\pm}6.93MPa$. Scanning electron microscopic examinations were revealed that there was DBD particles form a highly porous agglomerates. BDB can be added PMMA in the form of dried powders, the composites are applicable as bone substitutes. BDB and PMMA mixture is shown to produce a class of composites that due to their microstructure and improved mechanical properties may be suitable for application as bone subsitutes. The mechanical and material properties of the BDB-PMMA bone substitute composites are competitive with those properties of a porous ceramic matrix of other hydroxyapatite and with those of natural bones.
The cementless fixation of bone ingrowth by porous coatings on artificial hip joint prostheses are replacing polymethylmethacrylate(PMMA) bone cement fixations. However, the major interests in the field of porous metal coating are environmental corrosivity accelerated by metal ion release, deterioration in the mechanical property of the coating, and the mechanical failure of the coatings as well as the substrate. Therefore, the selection of right materials for coatings and the development of porous coating techniques must be accomplished. Because of the existing problems in Ti and Ti alloys which are used extensively, this study is focused on the plasma spraying technique for coating on super stainless steel substrate. In order to determine the optimum conditions which satisfy the requirement for the porous coatings, under the plasma spraying, we selected the experimental parameters which extensively influenced on the characteristics of the coating through the pre-examination. Spray distance has been selected among 120, 160, and 200mm and primary gas flow rate among 70, 100, and 130 SCFH. Current and secondary gas($H_2$) flow rate was fixed at 400A, and 15 SCFH respectively. To understand the characteristics of the coatings, surface morphology, cross-sectional micro-structure, surface roughness, residual stress, and corrosion resistance were elucidated and the best conditions for the bone ingrowth improvement on artificial hip joint prostheses were found.
Three-dimensional finite element analyses were used to compare the stress distribution and the stability of the fixation among seven different tibial components and to investigate the effect due to implant materials in total knee arthroplasty. The components included an intact tibia(Type I), Cemented Cobalt-Chromium tibial tray implanted with a PMMA cemented Co-Cr stem(Type II), Cemented Co-Cr tibial tray with a uncemented Co-Cr stem(Type III), Cemented Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) tibial tray with a cemented UHMWPE stem (Type IV), Cemented UHMWPE tray with a uncemented UHMWPE stem(Type V), Cemented Co-Cr tray without a stem(Type VI), and Cemented UHMWPE tray without a stem(Type VII). Uncemented components were assumed to have complete bony in growth and a rigid state of fixation between component and bone. The interface between bone/cement/component of cemented components was also assumed to be fully bonded. Bi-condylar forces were applied. The results indicated that Uncemented stem components provided lower bone stress shielding and stress concentration. The UHMWPE tray and stem component showed better agreement with the intact tibia than the Co-Cr Alloy tray and stem components. If the implant tray can be fixed firmed without a stem, Cemented PE tray without a stem(Type VII) may be recommended to give the best characteristics in the sense of stress distribution and stability.
목적: 관절경적 회전근 개 봉합술 시 뼈에 봉합 나사못을 안정적으로 고정하는 것이 중요하다. 그러나 고령의 환자에서 상완골 결절부위에 골다공증이 있는 경우 봉합 나사못이 빠지거나 고정이 불안정할 수 있다. 이에 저자들은 관절경적 회전근 개 봉합술에서 봉합 나사못의 고정 실패시 골 시멘트를 이용한 봉합 나사못 구멍 보강 기법을 소개하고 그 결과를 보고하고자 한다. 대상 및 방법: 2005년부터 2009년까지 관절경적 회전근 개 봉합술을 시행받은 223명 중 골 시멘트로 봉합 나사못 구멍을 보강했던 15명을 대상으로 하였다. 모두 여자로 평균 65 (49~77)세였고, 평균 추시 기간은 16 (6~32)개월 이었다. 주사기를 이용해 골 시멘트를 걸쭉한 액상의 상태에서 봉합 나사못 구멍에 주입한 후 압박기로 압력을 가하였으며 항아리 모양의 시멘트 맨틀을 만들도록 노력하였다. 시멘트가 굳어가기 시작할 무렵 봉합 나사못을 구멍에 삽입하였다. 최종 임상적 평가는 시각척도 통증 점수, 능동적 관절 운동범위, age-sex matched Constant score, UCLA score 등을 이용하여 분석하였다. 결과: 수술 전 촬영한 방사선 사진상, 상완골 대결절부의 낭종성 변화 또는 피질골의 위축 등이 전 예에서 보였다. 최종 추시 방사선 사진상 시멘트 음영의 변화는 볼 수 없었으며, 충진된 시멘트는 원래의 형태를 그대로 유지하였다. UCLA score는 평균 31점 (28~35점) 이었으며 최우수 6예, 우수 8예이었으며 1예는 보통의 결과를 보였다 (p-value 0.008). Age-sex matched Constant score는 평균 90점 (74~98점)으로 상승하였다 (p-value 0.008). 결론: 관절경적 회전근 개 봉합술에서 상완골 대결절부의 골위축이 있는 경우에도 골 시멘트를 이용한 봉합 나사못 구멍 보강술에 의하여 관절경적 봉합술을 시행할 수 있었으며 골 시멘트의 사용이 수술 후 결과에 부정적 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
Vertebroplasty has drawn much attention as a medical treatment for the compression fracture of spine, which strengthens the vertebral body and corrects deformity, and relieves pain in patients by injecting bone cement. However vertebroplasty can cause fracture on adjacent vertebra due to relative stiffness change. This study involves the biomechanical evaluation of the vertebroplasty especially on adjacent vertebral body. The finite element method has been employed to analyze the patient who was treated vertebroplasty under static and dynamic loading. For this study, a three-dimentioal model of the three-level ligamentous lumbar segment ($L1{\sim}L3$)is created from medical image data (CT)and compared with the experimental results in vitro.
Objective : The purpose of this study was to determine the efficacy, radiological findings, clinical outcomes and complications in patients with lumbar stenosis and osteoporosis after the use of polymethylmethacrylate (PMMA) augmentation of a cannulated pedicle screw. Methods : Thirty-seven patients with degenerative spinal stenosis and osteoporosis (T-score < -2.5) underwent lumbar fusion using the Dream Technology Pedicle Screw ($DTPS^{TM}$, Dream Spine Total Solutions, Dream STS, Seoul. Korea) between 2005 and 2007. The clinical outcomes were evaluated by using the visual analog scale (VAS) and the Prolo scale. Radiologic findings were documented through computed tomography (CT) and plain films. Results : Thirty-seven patients were evaluated and included, 2 males and 35 females with an average bone mineral density (BMD) of $0.47g/cm^2$. The average age of the patients was 68.7 (range, 57-88). The preoperative VAS for low back and leg pain ($7.87{\pm}0.95$ and $8.82{\pm}0.83$) were higher as compared with postoperative VAS ($2.30{\pm}1.61$ and $1.42{\pm}0.73$) with statistical significance (p = 0.006, p = 0.003). According to the Prolo scale, 11, 22, one and three patients were in excellent, good, fair and poor conditions, respectively. The average amount of the injected cement per one cannulated screw was $1.83{\pm}0.11\;mL$. Conclusion : The results show favorable outcome both clinically and radiographically for 37 patients who underwent lumbar fusion using $DTPS^{TM}$ and PMMA. Based on the results, the use of this surgical method can be a safe and effective option for the operation on the osteoporotic spine.
Yoo, Chai Min;Park, Kyung Bum;Hwang, Soo Hyun;Kang, Dong Ho;Jung, Jin Myung;Park, In Sung
Journal of Korean Neurosurgical Society
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제52권4호
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pp.339-345
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2012
Objective : The purpose of this study was to investigate the patterns and the risk factors of newly developed vertebral compression fractures (VCFs) after percutaneous vertebroplasty (PVP). Methods : We performed a retrospective review of the 244 patients treated with PVP from September 2006 to February 2011. Among these patients, we selected 49 patients with newly developed VCFs following PVP as the new VCFs group, and the remaining 195 patients as the no VCFs group. The new VCFs group was further divided into 2 groups : an adjacent fractures group and a nonadjacent fractures group. The following data were collected from the groups : age, gender, body weight/height, body mass index (BMI), bone mineral density (BMD) score of the spine and femur, level of initial fracture, restoration rate of anterior/middle vertebral height, and intradiscal cement leakage, volume of polymethylmethacrylate (PMMA). Results : Age, gender, mean body height/weight, mean BMI and volume of PMMA of each of the group are not statistically significantly associated with fractures. In comparison between the new VCFs group and the no VCFs group, lower BMD, intradiscal cement leakage and anterior vertebral height restoration were the significant predictive factors of the fracture. In addition, new VCFs occurrence at the adjacent spines was statistically significant, when the initial fracture levels were confined to the thoracolumbar junction, among the subgroups of new VCFs. Conclusion : Lower spinal BMD, the greater anterior vertebral height restoration rate and intradiscal cement leakage were confirmed as risk factors for newly formed VCFs after PVP.
Total Hip Replacement in a patient with chronic coxofemoral joint dislocation is a challenging problem because chronic coxofemoral joint dislocation causes severe morphological changes. These challenging factors make surgery more difficult and increase the possibility of postoperative complications including cup implant dislocation and prosthetic joint luxation. All patients were diagnosed having at least 2 months of coxofemoral joint dislocation. On physical examination, crepitus was noted in the coxofemoral joint. Radiographs revealed hip joint dislocation with mild to severe degenerative changes. Total hip replacement was planned for all patients. Dorsal acetabular rim deficiency in 3 cases was augmented using a locking plate and polymethylmethacrylate bone cement. All cases have shown difficulty in prosthetic joint reduction. Pectineus and rectus femoris muscle origin were released in all cases. At 12 months follow up, all patients showed satisfactory ambulation. The issues on perioperative prosthetic joint reduction and luxation due to chronic coxofemoral joint luxation with muscle contracture and dorsal acetabular rim deficiency can be resolved by muscle releasing and dorsal acetabular rim augmentation.
Due to its biofilm formation and colonization of the osteocyte-lacuno canalicular network (OLCN), Staphylococcus aureus (S.aureus) implant-associated bone infection (SIABI) is difficult to cure thoroughly, and may occur recurrently subsequently after a long period dormant. It is essential to explore an alternative therapeutic strategy that can eradicate the pathogens in the infected foci. To address this, the polymethylmethacrylate (PMMA) bone cement and Fe3O4 nanoparticles compound cylinder were developed as implants based on their size and mechanical properties for the alternative magnetic field (AMF) induced thermal ablation, The PMMA mixed with optimized 2% Fe3O4 nanoparticles showed an excellent antibacterial efficacy in vitro. It was evaluated by the CFU, CT scan and histopathological staining on a rabbit 1-stage transtibial screw model. The results showed that on week 7, the CFU of infected soft tissue and implants, and the white blood cells (WBCs) of the PMMA+2% Fe3O4+AMF group decreased significantly from their controls (p<0.05). PMMA+2% Fe3O4+AMF group did not observe bone resorption, periosteal reaction, and infectious reactive bone formation by CT images. Further histopathological H&E and Gram Staining confirmed there was no obvious inflammatory cell infiltration, neither pathogens residue nor noticeably burn damage around the infected screw channel in the PMMA+2% Fe3O4+AMF group. Further investigation of nanoparticle distributions in bone marrow medullary and vital organs of heart, liver, spleen, lung, and kidney. There were no significantly extra Fe3O4 nanoparticles were observed in the medullary cavity and all vital organs either. In the current study, PMMA+2% Fe3O4+AMF shows promising therapeutic potential for SIABI by providing excellent mechanical support, and promising efficacy of eradicating the residual pathogenic bacteria in bone infected lesions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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