A major mechanical problem with total hip replacement is the loosening of the femoral component. The loss of proximal support, with firm fixation distally, has been thought to be a major caused of fatigue failure of femoral stems. While many causes have been proposed, the most frequently suggested cause of the calcar resorption is the disuse atrophy of the cortex of the calcar due to the stress shielding of the proximal bone by the metal femoral stem. In this research, the new-designed stem(modified collar stem) was considered which made a hole inside stem and had a 3 mm thickness. Using the 3-dimensional finite element methods, the common collar stem and the modified colla stem was modeled and analysed. Also, the two models was compared. The results showed that the modified collar stem decreased the stress-shielding and it made a effective load transfer at the entire femoral region.
THRA(Total Hip Replacement Arthroplasty) has been widely used for several decades as a viable treatment of otherwise-unsolved hip problems. In THRA surgery, cement mantle thickness is critical to long-term implant survival of femoral stem fixed with cement. Numerous studies reported thin or incomplete cement mantle causes osteolysis, loosening, and the failure of implant. To analyze the effect of femoral stem rotation on cement thickness, in this study, we select two most popular stems used in THRA. Using CAD models obtained from a 3D scanner, we measure the cement mantle thickness developed by the rotation of a femoral stem in the virtual space created by broaching. The study shows that as the femoral stem deviates from the target coordinates, the minimum thickness of cement decreases. Therefore, we recommend development of a new methodology for accurate insertion of a femoral stem along the broached space. Also, modification of the stem design robust to the unintentional movement of a femoral stem in the broached space, can alleviate the problem.
Three dimensional numerical model based on the finite element method(FEM) were developed to predict the mechanical behavior of hip implants. The purpose of this study is to investigate the stress distribution of two types of cementless total hip replacement femoral component -a straight stem and a curved stem, and to compare their effect on the stress shielding between two types by three dimensional finite element method. The authors analyzed von Mises stress in the cortex & stem and compared the stress between the straight and the curved stem. In comparison of stresses between two different design of femoral stem, there was 25% more decrease of stress in straight stem than curved stem in the medial cortex at proximal region. The straight stem had consistently much lower stresses than the curved stem throughout the whole medial cortex with maximum 70% reduction of stress. However, there was little change in stress between nature and 2 implanted femur throughout the lateral cortex. Stress of femoral stem was much higher in the straight stem than the curved stem up to 60%. The straight stem had more chance of stress shielding and a risk of fatigue fracture of the stem compared with the curved stem in noncement hip arthroplasty. In design of femoral stem still we have to consider to develop design to distribute more even stress on the proximal medial cortex.
Debonding of cement-femoral stem interface has been suggested as a initial focus of loosening mechanism in many previous studies of cemented total hip replacement. The purpose of this study was to investigate the effect of debonding of cement-femoral stem interface to the bone-cement interface by using three-dimensional non-liner finite element analysis. Three cases of partial debonded, full debonded, full bonded cement-bone interface were modelled with partial bonding of distal 70mm from the tip of femoral stem. Each situation was studied under loading stimulating one-leg stanced gait of 68kg patient. The results showed that under partial and full debonded cement-stem interface condition the peak von Mises stress(3.1 MPa) were observed at the cement of bone-cement interface just under the calcar of proximal medial of femur, and sudden high peak stresses(3.5MPa) were developed at the distal tip of femoral stem at the lateral bone-cement interface in all 3 cases of bonding. The stresses were transfered very little to the cement of upper lateral bone-cement interface in partial and full debonded cases. Thus, once partial or full debonded cement-femoral stem interface occured, 3 times higher stress concentration were developed on the cement of proximal medial bone-cement interface than full bonded interface, and these could cause loosening of cemented total hip replacement. Clinically, preservation of more rigid cement-femoral stem interface may be important factor to prevent loosening of femoral stem.
In cementless total hip replacement(THR), an initial stability of the femoral component is important to long term fixation of femoral stem. The initial stability has close relationship with the relative displacement of prosthesis and spongy bone at the proximal of femur. After implantation of the prosthesis. the surrounding bone is partially shielded from load carrying and starts to resort. Stress shielding is the cause of the loss of proximal bone. Assessing stress distribution of femur is important to predict stress shielding. The initial stability and the stress shielding were investigated for two loading conditions approximating a single leg stance and a stair climbing. Three types of stems were studied by the finite element method to analyze the biomechanical effects of distal filling of cementless femoral stems, Three types of stems employed are a distal filling stem, a distal flexible stem, and a distal tapered stem.
Background: Postoperative pain occurring after hip arthroplasty has become common since the expanded use of cementless femoral stems. The characteristic pain develop in the anterolateral thigh area. This study aimed to predict anterior thigh pain based on the measurements of postoperative anteroposterior (AP) and lateral (Lat) radiographs of the hip joint. Methods: The present study included 26 patients (29 hips) who underwent total hip replacement or bipolar hemiarthroplasty between March 2010 and May 2016, whose complete clinical information was available. AP and Lat radiographs of the affected hip were taken on the day of surgery and 1 and 6 months postoperatively. Patients with improper radiographs were excluded. The distance from the femoral stem to the nearest cortical bone in the distal region of the stem was measured. The patient group with a visual analog scale (VAS) score of ≥6 points was designated as patients with anterior thigh pain. Results: Sex, age, weight, height, body mass index, and bone mineral density in the lumbar spine and femur did not have a significant effect on postoperative VAS scores (p>0.05). Presence of contact between the femoral stem and cortical bone was associated with postoperative anterior thigh pain. Conclusion: Hip AP and Lat radiographs are usually taken to confirm fixation and alignment of the femoral stem after hip arthroplasty. The measurement method introduced in this study can be utilized for predicting anterior thigh pain after hip arthroplasty.
In clinical orthopaedics, bone resoption in the cortex is often seen post operatively on X-rays or bone densitometry after total hip replacement (THR) in the form of cortical osteoporosis or atropy. Stress shielding of bone occurs, when a load, normally carried by the bone alone, is shared with an implant as a result, the bone stresses are abnormal and with remodelling analysis this may cause extensive proximal bone resoption, possibly weakening the bone bed to the point of failure. The author made finite element models of the cemented and non-cemented type implanted femoral stem with bone resorption of the proximal medial femur and studied the feed back effect of the various degree of bone resoption to THR system by parametric analysis on the stress of the femoral stem and interface. The results of the present finite element analysis implied that the extent of proximal bone resorption has the effect of more increasing stress on the distal stem tip, cement mantle and interface in both type of femoral stem and this high distal stress possibly can cause the mechanical failure of loosening or failure after THR.
Ho Hyun Yun;Woo Seung Lee;Young Bin Shin;Tae Hyuck Yoon
Hip & pelvis
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제35권2호
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pp.88-98
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2023
Purpose: The objectives of this study were to examine the prevalence and risk factors for development of periprosthetic occult femoral fractures during primary cementless total hip arthroplasty (THA) and to assess the clinical consequences of these fractures. Materials and Methods: A total of 199 hips were examined. Periprosthetic occult femoral fractures were defined as fractures not detected intraoperatively and on postoperative radiographs, but only observed on postoperative computed tomography (CT). Clinical, surgical, and radiographic analysis of variables was performed for identification of risk factors for periprosthetic occult femoral fractures. A comparison of stem subsidence, stem alignment, and thigh pain between the occult fracture group and the non-fracture group was also performed. Results: Periprosthetic occult femoral fractures were detected during the operation in 21 (10.6%) of 199 hips. Of eight hips with periprosthetic occult femoral fractures that were detected around the lesser trochanter, concurrent periprosthetic occult femoral fractures located at different levels were detected in six hips (75.0%). Only the female sex showed significant association with an increased risk of periprosthetic occult femoral fractures (odds ratio for males, 0.38; 95% confidence interval, 0.15-1.01; P=0.04). A significant difference in the incidence of thigh pain was observed between the occult fracture group and the non-fracture group (P<0.05). Conclusion: Occurrence of periprosthetic occult femoral fractures is relatively common during primary THA using tapered wedge stems. We recommend CT referral for female patients who report unexplained early postoperative thigh pain or developed periprosthetic intraoperative femoral fractures around the lesser trochanter during primary THA using tapered wedge stems.
Gang Tian;Chuanjie Liu;Qi Gong;Zhiping Yu;Haitao Wang;Daoqiang Zhang;Haibo Cong
International Journal of Stem Cells
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제15권2호
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pp.195-202
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2022
Background and Objectives: Apoptosis is an outstanding determinant of glucocorticoid (GC)-induced osteonecrosis of the femoral head (ONFH). Human umbilical cord mesenchymal stem cells (hUC-MSCs) have been demonstrated to be associated with apoptosis in diseases models. However, the role of hUC-MSCs in GC-induced ONFH via regulating apoptosis still needs further study. Methods and Results: In the present study, a GC-induced ONFH model was built in vivo through a consecutive injection with lipopolysaccharide (LPS) and methylprednisolone. The necrosis and apoptosis of the femoral head was evaluated by histological and Terminal-deoxynucleoitidyl Transferase Mediated Nick End Labeling (TUNEL) assay. The level of collagen and TRAP positive cells were determined by Masson and TRAP staining, respectively. M1 macrophage polarization was assessed using immunofluorescence assay. The level of proinflammatory cytokines including tumor necrosis factor (TNF)-α, Interleukin (IL)-1β and IL-6 of femoral head was determined by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) kits. The protein expression of AKT, mTOR, p-AKT and p-mTOR was detected using western blot assay. The results showed that hUC-MSCs treatment prominently promoted the GC-induced the decrease of the collagen level and the increase of TRAP positive cells. Besides, hUC-MSCs treatment decreased necrosis and apoptosis, macrophage polarization, the level of TNF-α, IL-1β and IL-6, the protein expression of p-AKT and p-mTOR, and the radio of p-AKT to AKT and p-mTOR to mTOR of femoral head in vivo. Conclusions: Therefore, the present study revealed that hUC-MSCs improved the necrosis and osteocyte apoptosis in GC-induced ONFH model through reducing the macrophage polarization, which was associated with the inhibition of AKT/mTOR signaling pathway.
In cementless total hip replacement(THR), an initial stability of the femoral component is important to long term fixation of femoral stem. The intial stability has close relationship with the relative displacement of prosthessis and sponge bone at the proximal of femur. After implantation of the proshesis, the surrounding bone is partially shielded from load carrying and starts to resorb. Stress shielding is the cause of the loss of proximal bone. Assessing stress distribution of femur is important to predict stress shielding. The initial stability and the stress shielding were investigated for two loading conditions approximating a single leg stance and a stair climbing. Three types of stems were studied by the finite element method to analyze the biomechanical effects of distal filling of cementless femoral stems. Three types of stems empolyed are a distal filling stem, a distal flexible stem, and a distal tapered stem.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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