Stimulating effect of implant loading on surrounding bone
Comparison of three numerical models and validation by in vivo data
Abstract
enAbstract: A number of algorithms have been proposed to model the adaptive behavior of bone under load. However, the predictions of several models have neither been compared nor have they been systematically related to in vivo data. To this end, the stress states of loaded implant–bone interfaces were analyzed before and after osseointegration using finite element (FE) techniques.
In a preliminary step, an FE mesh of a cylindrical implant encased in a cancellous core surrounded by a cortical layer was constructed, and the stresses and strains that developed at the interface were determined. The implant was loaded with 100 N vertical and 30 N lateral loads. Using this structure, the peak compressive and tensile stresses were determined. Then bone remodeling predictions were assessed using three different models: von Mises equivalent strain, strain energy density and effective stress. Finally, a systematic search of the literature was conducted to relate the numerical predictions to existing in vivo data.
The FE simulations led to the following conclusions: (1) calculated compressive stresses were lower than the ultimate compressive stresses of cortical and cancellous bone. (2) Calculated tensile stresses were generally superior to experimental data on the tensile strength of the bone–implant interface. (3) With one exception, the predictions of all models were homogeneously grouped on the stimulus scales. (4) The predictions of the models as to bone gain or loss were not consistent and at times contradictory. It is hypothesized that this effect is linked to a lazy zone that is too narrow. With respect to the application of the numerical models to in vivo data, peak strains and strain energy densities were consistent with in vivo data. No in vivo data were found that supported effective stress as a stimulus.
Résumé
frUn nombre d'algorithmes ont été proposés pour construire un modèle se rapportant au comportement adaptateur de l'os sous-charge. Cependant, ni les prédictions de différents modèles n'ont été comparées ni mises systématiquement en relation avec les données in vivo. Jusqu'à présent les états de stress des interfaces os-implants chargés ont été analysés avant et après l'ostéoïntégration par les techniques d'éléments finis. Dans une étape préliminaire, une mèche d'éléments finis d'un implant cylindrique placé dans un noyau spongieux entouré par une couche de cortical a été construit et les stress et force qui se développaient à l'interface ont été déterminés. L'implant a été chargé avec 100N en vertical et 30N en latéral. En utilisant cette structure, le pic de stress de compression et d'extension ont été déterminés. Ensuite les prédictions de remodelage osseux ont été estimés en utilisant trois modèles différents : La tension équivalente de von Mises, la densité d'énergie de la tension et le stress effectif. Finalement, une recherche systématique de la littérature a été effectuée pour placer en relation les prédictions numériques avec les données existantes in vivo. Les simulations de l'élément fini ont conduits aux conclusions suivantes : 1) Les stress de compression calculés étaient inférieurs aux stress de compression vérifiés sur l'os cortical et spongieux, 2) les stress de tension calculés étaient généralement supérieurs aux données expérimentales sur la force de tension de l'interface implant-os, 3) avec une exception la prédiction de tous les modèles étaient groupés de manière homogène sur les échelles du stimulus, 4) les prédictions des modèles en ce qui concerne le gain ou la perte osseuse n'étaient pas constantes et parfois contradictoires. L'hypothèse émise est que cet effet serait liéà une zone indolente trop étroite. Avec le respect de l'application des modèles numériques aux données in vivo, des forces pics et des densités d'énergie de tension étaient en accord avec les données in vivo. Aucune donnée in vivo n'a été trouvée indiquant que le stress effectif agissait comme stimulus.
Zusammenfassung
deMan versuchte mit diversen verschiedenen Algorithmen die Reaktion des Knochen auf eine Belastung zu beschreiben. Die Aussagen dieser Modelle sind aber bis heute weder untereinander, noch systematisch mit in vivo Daten verglichen worden. Aus diesem Grund sind mit Hilfe eines Finite-Element-Modells (FE) die Spannungslinien am Übergang zwischen Implantat und Knochen vor und nach der simulierten Osseointegration analysiert und beschrieben worden.
Das erste Modell simulierte ein im spongiösen Knochen eingebettetes zylindrisches Implantat, das Ganze von einer kortikalen Knochenschicht umgeben. Man mass Kräfte und Spannungslinien, die an der Übergangsstelle vom Implantat zum Knochen enstehen. Das Implantat wurde mit Kräften von 100 N in vertikaler und 30 N in lateraler Richtung belastet. Diese Versuchsanordnung erlaubte die Bestimmung der maximalen Zug- und Druckkräfte. Die Vorhersage möglicher Vorgänge hinsichtlich einer Knochenremodellation versuchte man mit drei verschiedenen Modellen: den Dehnmessstreifen nach von Mises, der Energiedichte einer Dehnung und der effektiven Kraft. Abschliessend erfolgte eine systematische Durchsicht der einschlägigen Literatur auf der Suche nach in vivo Daten, die mit den nummerischen Vorhersagen verglichen werden können.
Die FE-Simulationen führten zu folgenden Ergebnissen: (1) Die errechneten Druckkräfte waren tiefer als die effektiven Druckkräfte im kortikalen und spongiösen Knochen. (2) Die errechneten Zugkräfte an der Verbindung Implantat/Knochen waren generell höher als die experimentellen Daten. (3) Die Vorhersagen aller Modellen waren mit einer Ausnahme auf den Tabellen schön homogen gruppiert. (4) Modellvorhersagen bezüglich Knochengewinn oder -verlust stimmten nicht überein und zeitweise sogar widersprüchlich. Man stellte die Hypothese auf, dieser Effekt komme von einer zu eng bemessenen trägen Zone her.
Bezüglich Anwendung und Übertragung von nummerischen Modelldaten auf in vivo Daten stellt man fest, dass Dehnspitzen und Energiedichte der Dehnung mit in vivo Daten übereinstimmen. Man fand aber keine in vivo Daten, die effektiv einer Belastung einen Stimuluseffekt bescheinigen.
Resumen
esSe han propuesto un número de algoritmos para modelar el comportamiento adaptativo del hueso bajo condiciones de carga. De todos modos, ni las predicciones de los diferentes modelos se han comparado o han sido relacionadas sistemáticamente con los datos in vivo. Para este fin, se analizaron los estados de estrés de las interfases cargadas hueso-implante antes y después de la osteointegración usando técnicas de elementos finitos (FE).
En un paso preliminar, se construyó una malla de elementos finitos de un implante cilíndrico encastrado en un núcleo esponjoso rodeado por una capa cortical y se determinaron los estrés y estrains que se desarrollan en la interfase. Se cargó el implante con 100 N de cargas verticales y 30 N laterales. Usando esta estructura, se determinaron los picos de estreses compresivos y tensionales. Se valoraron las predicciones de remodelado óseo usando tres diferentes modelos: Estrían equivalente de von Mises, densidad de la energía de estrain y estrés efectivo. Finalmente se llevó a cabo una búsqueda sistemática de la literatura para relacionar las predicciones numéricas con los datos en vivo existentes.
Las simulaciones de elementos finitos nos llevaron a lo siguiente: (1) Los estrés compresivos calculados fueron menores que los estrés compresivos finales de hueso cortical y esponjoso. (2) Los estrés de tensión calculados fueron generalmente superiores a los datos experimentales de las fuerzas de tensión de la interfase hueso-implante. (3) Con una excepción, las predicciones de todos los modelos se agruparon homogéneamente en las escalas de estímulo. (4) Las predicciones de los modelos respecto a la ganancia o pérdida de hueso no fueron consistentes y en ciertos momentos contradictorias. Se hipotiza que este efecto está relacionado con una zona vaga o que es demasiado estrecha.
Respecto a la aplicación de modelos numéricos a los datos in vivo, los picos de estrains y las densidades de energía de estrían fueron consistentes en los datos in vivo. No se encontraron datos in vivo que apoyen el estrés efectivo como un estímulo.
