Peri-acetabular bone ingrowth plays a crucial role in long-term stability of press-fit acetabular cups. A poor bone ingrowth often results in increased cup migration, leading to aseptic loosening of the implant. The rate of peri-prosthetic bone formation is also affected by the polar gap that may be introduced during implantation. Applying a mechano-regulatory tissue differentiation algorithm on a two-dimensional plane strain microscale model, representing implant-bone interface, the objectives of the study are to gain an insight into the process of peri-prosthetic tissue differentiation and to investigate its relationship with implant-bone relative displacement and size of the polar gap. Implant-bone relative displacement was found to have a considerable influence on bone healing and peri-acetabular bone ingrowth. An increase in implant-bone relative displacement from $20{\mu}m$ to $100{\mu}m$ resulted in an increase in fibrous tissue formation from 22% to 60% and reduction in bone formation from 70% to 38% within the polar gap. The increase in fibrous tissue formation and subsequent decrease in bone formation leads to weakening of the implant-bone interface strength. In comparison, the effect of polar gap on bone healing and peri-acetabular bone ingrowth was less pronounced. Polar gap up to 5 mm was found to be progressively filled with bone under favourable implant-bone relative displacements of $20{\mu}m$ along tangential and $20{\mu}m$ along normal directions. However, the average Young's modulus of the newly formed tissue layer reduced from 2200 MPa to 1200 MPa with an increase in polar gap from 0.5 mm to 5 mm, suggesting the formation of a low strength tissue for increased polar gap. Based on this study, it may be concluded that a polar gap less than 0.5 mm seems favourable for an increase in strength of the implant-bone interface.
$Medpor^{(R)}$(porous polyethylene) Surgical Implants are used for the augmentation or restoration of bony contour in craniofacial defects. The purpose of this study is to evaluate the ingrowth of soft tissue and bone after application in calvaria of rats. The experiment was carried out in 60 rats. The reflected periosteum was resutured after implantation of $Medpor^{(R)}$ as a experimental site, while in the calvarial bone the reflected periosteum resutured without implantation as a control site. The histologic examination was performed after 1-, 2-, 4-, 8-, 12-, 24-weeks implantation in calvaria of rats. I concluded that there was abundant ingrowth of soft tissue and bone without any adverse tissue response and that it shows good stability.
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.
Purpose: A new form of porous polyethylene, characterized by higher porosity and pore interconnectivity, was developed for use as a tissue-integrated implant. This study evaluated the effectiveness of porous polyethylene blocks used as an onlay bone graft in rabbit mandible in terms of tissue reaction, bone ingrowth, fibrovascularization, and graft-bone interfacial integrity. Methods: Twelve New Zealand white rabbits were randomized into 3 treatment groups according to the study period (4, 12, or 24 weeks). Cylindrical specimens measuring 5 mm in diameter and 4.5 mm in thickness were placed directly on the body of the mandible without bone bed decortication, fixed in place with a titanium screw, and covered with a collagen membrane. Histologic and histomorphometric analyses were done using hematoxylin and eosin-stained bone slices. Interfacial shear strength was tested to quantify graft-bone interfacial integrity. Results: The porous polyethylene graft was observed to integrate with the mandibular bone and exhibited tissue-bridge connections. At all postoperative time points, it was noted that the host tissues had grown deep into the pores of the porous polyethylene in the direction from the interface to the center of the graft. Both fibrovascular tissue and bone were found within the pores, but most bone ingrowth was observed at the graft-mandibular bone interface. Bone ingrowth depth and interfacial shear strength were in the range of 2.76-3.89 mm and 1.11-1.43 MPa, respectively. No significant differences among post-implantation time points were found for tissue ingrowth percentage and interfacial shear strength (P>0.05). Conclusions: Within the limits of the study, the present study revealed that the new porous polyethylene did not provoke any adverse systemic reactions. The material promoted fibrovascularization and displayed osteoconductive and osteogenic properties within and outside the contact interface. Stable interfacial integration between the graft and bone also took place.
Statement of problem: Ti-alloy has been used widely since it was produced in the United States in 1947 because it has high biocompatibility and anticorrosive characteristics. Purpose: The pure titanium, however, was used limitedly due to insufficient mechanical charateristics and difficult manufacturing process. Our previous study was focused on the development of a new titanium alloy. In the previous study we found that the Ti-Ta-Nb alloy had better mechanical characteristics and similar anticorrosive characteristics to Ti-6Al-4V Material and methods: In this study, the cytotoxicity of the Ti-Ta-Nb alloy was evaluated by MTT assay using MSCs(Mesenchaimal stem cells) and L929 cells(fibroblast cell line). The biocompatibility of the Ti-Ta-Nb alloy was performed by inserting the alloy into the femur of the rabbits and observing the radiological and histological changes surrounding the alloy implant. Results: 1. In the cytotoxicity test using MSCs, the 60% survival rate was observed in pure titanium, 84% in Ti-6Al-4V alloy and 95% in Ti-10Ta-10Nb alloy. 2. In the animal study, the serial follow-up of the radiographs showed no separation or migration revealing gradual bone ingrowth surrounding the implants. Similar radiographic results were obtained among three implant groups pure titanium, Ti-6Al-4V alloy and Ti-10Ta-10Nb alloy. 3. In the histologic examination of the bone block containing the implants. the bone ingrowth was prominent around the implants with the lapse of time. There was no signs of any tissue rejection, degeneration, or inflammation. Active bone ingrowth was observed around the implants. In the comparison of the three groups, the rate of bone ingrowth was better in the Ti-10Ta-10Nb alloy group than those in pure titanium group or Ti-6Al-4V alloy group. In conclusion, Ti-10Ta-10Nb alloy revealed better biocompatibility in survival rate of the cells and bone ingrowth around the implants. Therefore we believe a newly developed Ti-10Ta-10Nb alloy can replace currently used Ti-6Al-4V alloy to increase biocompatibility and to decrease side effects. Conclusion: In conclusion, Ti-10Ta-10Nb alloy revealed better biocompatibility in survival rate of the cells and bone ingrowth around the implants. Therefore we believe a newly developed Ti-10Ta-10Nb alloy can replace currently used Ti-6Al-4V alloy to increase biocompatibility and to decrease side effects.
We investigated how hydroxyapatite (HA) coating onto a porous super stainless steel (S.S.S, 22Cr-20Ni-6Mo-0.25N) affects bone ingrowth in a dog transcortical femoral model. Implants were histologically evaluated after 4 and 48 weeks of implantation, and the bone bonding strength at the bone/implant interface was examined by employing the pull-out test. The direct osseous tissue bonding onto the HA-coated S.S.S was observed, but the uncoated stainless steels had thin fibrous tissue layers. The mean interface strength of the HA-coated S.S.S was 1.5 and 2.5 times greater than those of the S.S.S and the 316L SS after one year of implantation, respectively. In preliminary studies, no toxic responce was observed from a cytotoxicity test of the S.S.S, having similar corrosion resistance to titanium. Our results suggest that early osteoconductive nature of HA coating may induce long term osteointegration for a bioinert substrate.
Hydroxyapatite 안구삽입물내로의 섬유혈관증식 여부를 진단하는데 $^{99m}Tc$-MDP 골신티그라피가 유용한지를 알아보기 위해, 전남대학교병원 안과에서 안구적출술 후 hydoxyaptite 안구삽입물을 삽입하고 골신티그라피 검사를 시행한 13예의 환자의 골신티그라피 17예를 분석하고, 이들에서 의안부착을 위해 안구삽입물에 구멍을 뚫을 때 출혈이 있는지를 관찰하여 섬유혈관증식 여부를 확인하였다. 대상환자의 연령은 21세부터 56세까지 분포하였고(평균연령 38세), 성별로는 남자 10, 여자 3예였다. 이 중 2예에서는 2번씩, 또 1예에서는 3번 검사를 시행하였으므로 시행한 골신티그라피는 17번이었고, 이 17예의 검사소견을 분석하였다. 평면상은 정성적으로 판독하였는 데, 안구삽입물에 섭취가 안면골보다 많은 정도를 4+, 안면골과 같은 정도를 3+, 주변 안면골보다 작은 경우를 2+, 섭취가 정상 안구보다 조금 더 진한 정도를 1+로 정하였다. 단면상의 경우는 정상안과 비교한 섭취율을 구하였으며, 그 공식은 (삽입물의 방사능/반대측 안와의 방사능)으로 하였다. 대상환자 모두의 골신티그라피 평면영상에서 1 이상의 섭취를 보였고, 단면상의 정량분석은 1.18이상의 섭취를 보였다. 골신티그라피를 2번 이상 시행한 3예 중 2예에서는 두번째 시행한 골신티그라피상 $^{99m}Tc$-MDP 섭취의 증가가 관찰되었으나, 나머지 1예에서는 3번 시행한 골신티그라피상 전혀 변화를 관찰할 수 없었다. 또 대상환자에서의 안부착시 출혈 여부를 관찰하였는 바 모든 환자에서 충분한 출혈이 있어 삽입물내로 섬유혈관증식이 있음을 확인하였다. 즉, 골신티그라피상 $^{99m}Tc$-MDP 섭취를 보인 안구삽입물 13예 전예에서 삽입물 내로의 혈관증식을 확인하였다. 결론적으로, hydroxyaptite 안구삽입물내로 섬유혈관증식은 매우 잘 일어나며, 주변 안면골보다 낮은 정도의 섭취만 보이더라도 섬유혈관증식 일어난 상태임을 의미하고, 이 경우 안심하고 2차 천공을 시행할 수 있다는 사실을 확인하였다.
골조직이 자라 들어갈 수 있는 적절한 크기의 마이크로패터닝을 부여하면 강하고 지속적인 골유착을 이룰 수 있는 생역학적 결합을 이룰 수 있다. 또한 마이크로패터닝을 통해 골조직과 접촉하는 면적을 증가시킴으로써 하중을 적절히 분산시킬 수도 있다. 본 연구에서는 마이크로패터닝의 형태와 크기에 따른 응력의 분산에 대해 연구하였다. 나사 하나에서의 하중을 연구하기 위해 2차원 유한요소분석법을 이용하였다. 임플란트는 무한히 긴 피질골에 100% 접촉하며 골-임플란트 계면은 고정된 것으로 경계조건을 설정한 후 마이크로패터닝의 위치와 수에 따라 5군으로 나누어 축력을 가한 후 최대응력과 응력의 분산양상을 비교하였다. 연구 결과, 마이크로패터닝을 부여하면 일반적인 나사에 비해 응력을 보다 넓게 분산시켰으며 나사의 하방에 마이크로패터닝을 부여한 것이 상방에 부여한 것보다 더 고르게 응력을 분산시켰다. 3개의 마이크로패터닝을 부여한 군이 2개의 마이크로패터닝을 부여한 군에 비해 응력을 넓게 분산시켰으나 응력이 집중되는 부위가 나타났다. 이상의 결과를 통해 마이크로패터닝을 부여하면 응력의 분산효과가 있으며 특히 나사 하방에 부여하는 것이 더 큰 효과를 냄을 알 수 있었다.
In cementless total hip arthroplasty(THA), an initial stability of the femoral component is mandatory to achieve bony ingrowth and secondary long term fixation. Bone ingrowth depends strongly on relative micromotion and stress distributions at the interface. Primary stability of the femoral component can be obtained by minimizing the magnitude of relative micromotions at bone-prosthesis interface, Hence an accurate evaluation of interface behavior and stress/strain fields in the bone implant system may be relevant for better understanding of clinical situations and improving THA design. However, complete evaluation of load transfer in the bone remains difficult to assess experimentally, Hence, recently finite element method (FEM) was introduced in orthopaedic research field to fill the gap due to its unique capacity to evaluate stress in structure of complex shape, loading and material behavior. The authors developed the 3-dimensional numerical finite element model which is composed of totally 1179 elements off and 8 node blick. We also analyzed the micromotions at the bone-stem interface and mechanical behavior of existing bone prosthesis for a loading condition simulating the single leg stance. The result indicates that the values of relative motion for this well fit Multilock stem were $150{\mu}m$ in maximum, $82{\mu}m$ in minimum, and the largest relative motion developed in medial region of proximal femur with anterior-posterior direction. The proximal region of the bone was much larger in motion than the distal region and the stress pattern shows high stress concentration on the cortex near the tip of the stem. These findings indicates that the loading in the proximal femoral bone in the early postoperative situation can produce micromotions on the interface and clinically cementless TEA patient should not be allowed weight bearing strictly early in the postoperative period.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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