Recently, as wear resistant bearing technology has been developed, hip resurfacing also gets the renewed interests. However, aseptic loosening, osteolysis, and osteonecrosis still occur demanding the fixation between implant and bone to be improved. In this study, we assumed that the cement-bone interface tensile stress of current cemented fixation might cause the debonding in the bone-cement interface and lead to the failure. Consequently, we propose a new concept of implant fixation to the hip resurfacing system that uses a buffer instead of the cement in order to apply the physiologically favorable stress to the bone. In our proposed method, the buffer and implant are tapered. Then, this buffer is inserted into the space between femoral head and implant. When the body weight is applied to the implant, we assume that they are fixed by taper-lock mechanism ensuring the initial stability and osseointegration for the implant.
At first, we made experiments to verify the buffer effect that we assumed in this study. Experiments were conducted to buffered fixation model with 1mm thickness and 4° taper angle buffer. Implant was made by steel and buffer was by PEEK. We used composite bones and UTM to create boundary and loading conditions of normal walking. Because measuring the contact stress at the interface takes much effort and costs lot, we measured principle strains instead of contact stress at the medial region of the composite femoral neck and estimated the contact stress values with those principle strains by FEA study. As a results of the 10 cases experiment, principle strains at the unloading step showed that there was compressive stress at the bone-buffer interface, which was conform to our assumption, and also there was no sign of crack at the interface and buffer itself.
To measure the contact stresses at the interface, FE model was developed and contact parameters and material properties were determined by comparing to experimental results. FE models described proposed buffered implants including implant, buffer and femoral head and were similar to experimental condition like loading conditions and material properties. We modeled all contact surfaces of femoral head, buffer and implants as Coulomb friction to simulate the situation immediately after the operation. The friction coefficient for the buffer-implant interface polished metal surface, and for the buffer-bone interface to simulate the roughened buffer surface was initially assumed and optimization algorithm was applied to search the contact parameters efficiently. As a results of the optimization process, contact stress at the medial femoral head was average 0.9MPa..
We developed additional FE models that described conventional hip resurfacing and buffered hip resurfacing with real bone. Buffered hip resurfacing models were based on developed model but had three different thicknesses (0.5mm, 1mm, 2mm) and three different taper angle (3°, 4°, 5°) to find the influence of the buffer shape, so were 9 cases. Contact conditions were defined by parameter search process that we conducted. Conventional hip resurfacing model was developed according to surgical guide and cross sectional view of removed implant. In the cemented implants, bone-cement interface was assumed to be perfectly bonded.
We analyzed four different features between cemented fixation and buffered fixation. At first, there was no tensile stress at bone-buffer interface in opposition to cemented fixation that had about 5% tensile regions at loading. Those compressive stresses were maintained when femoral head was perfectly bonded to buffer. In addition, less 5% regions of bone-buffer interface had over 20um micromotion that could interfere with osseointegration. Compressive stress at the interface was transmitted to the bone when buffer had large taper angle and thin thickness.
Finally we observed risk factors at the interface and in the fixation layer. Both bone-buffer interface and bone-cement interface had no risk by shear strength, and cement layer and buffer layer had almost zero regions of fracture risk by tensile compressive stress. However buffer had possibility of fracture by shear stress especially when buffer had thin thickness.
As a result of this study, the fixation method we proposed served advantageous environment as inducing and keeping compressive stress at bone-buffer interface and allowable micromotion.
최근 금속의 표면처리술이 발달함에 따라 금속 대 금속의 마찰면을 사용한 고관절 표면치환술이 다시 각광을 받고 있다. 그러나 여전히 골융해, 무균성 해리, 괴사 등의 문제가 발생하고 있다. 본 연구에서는 이와 같은 실패가 임플란트의 고정재인 시멘트와 뼈 사이의 인장력에 의한 분리에 의해 일어난다 가정하였고 이를 개선하기 위해 뼈에 생리학적으로 유리한 응력을 제공할 수 있는 새로운 고정술을 제안하였다. 제안한 방법에서 완충재와 인공 고관절은 경사진 면을 가지고 있고 완충재가 골두와 인공 고관절 사이에 삽입된다. 인공 고관절에 하중이 가해지면 인공 고관절계는 끼워맞춤을 통해 고정되며 이 때 발생한 압축력을 통해 인공고관절에 골융합이 이루어 질 수 있다 우선 실험을 통해 완충 고정술의 효과를 확인하였다.
실험은 4도, 1mm 의 완충재 모형을 통해 수행되었다. 인공 고관절은 강철로 제작하였고 완충재는 PEEK를 사용하였다. 모형뼈와 만능시험기로 정상 보행상태의 경계 조건 및 하중조건을 구현하였다. 계면에서의 응력분포의 직접적인 측정은 비용이 많이 들고 어려워 대신 골두 내측면에서의 주변형률을 측정하였고 이를 통해 유한요소해석으로 접촉응력을 추정하였다. 10회의 주변형률 측정을 통해 하중이 가해지지 않을 수에도 골두 내측면에서 압축력이 발생하고 있음을 확인할 수 있어 본 연구에서 제안한 방법이 유효함을 알 수 있었다.
이 때 발생한 압축력을 추정하고자 유한요소 모델을 구현하였고 실험값과의 비교를 통해 접촉면에서의 변수추정을 수행하였다. 유한요소 모델은 실험에서의 완충재와 인공 고관절 및 골두 조건과 동일하게 구현하였고 하중 조건 및 물성치도 동일하게 하였다. 골두와 완충재 및 완충재와 인공 고관절 사이의 계면은 쿨롱마찰면으로 가정하여 시술 직후의 상황을 가정하였다. 초기에 완충재와 인공 고관절 간 계면은 매끄럽고 완충재와 골두 간은 거친 면이 되도록 마찰계수를 가정하였고 최적화 알고리즘을 통해 변수 추정을 수행하였다. 그 결과 실험과 유사한 결과를 갖는 유한요소 모델을 개발할 수 있었고 이를 통해 실험 시 발생한 골두내측의 압축응력은 0.9MPa이었음을 확인하였다. 추가로 다양한 완충고정술 모델과 기존의 표면치환술을 묘사하는 유한요소모델을 구축하였다. 완충고정 모델은 앞서 개발한 모델을 토대로 0.5mm, 1mm, 2mm의 완충재 두께와 3도, 4도, 5도의 경사면 각도를 조합한 9개 모델로 구현하여 완충재 형상의 영향을 찾아보았다. 기존의 표면치환술 모델은 수술 지침서와 환자에게서 적출된 인공 고관절 단면을 통해 모델링하였다. 이 때의 접촉면은 모두 완전 접촉상태로 가정하여 시술 초기를 묘사하였다.
본 연구에서는 유한요소 해석 결과를 통해 완충고정술과 기존의 고정술 간 기계적 특성을 비교하였다. 우선 하중이 가해질 때 기존 방법에서는 약 10%의 영역에서 인장력이 발생한 반면 완충 고정술에서는 인장력이 발생한 영역이 없었고 골융합이 이루어진 후에도 약 5% 영역에서 인장력이 발생하여 압축력이 유지됨을 알 수 있었다. 또한 골융합이 가능한 수준의 미세움직임이 계면의 95% 면적에서 유지되고 있었다. 이와 같은 특성은 완충재의 경사각이 크고 얇을수록 주요하게 나타났다. 계면과 고정면에서의 파괴위험을 살펴보았을 때 완충고정술과 기존의 고정술은 모두 계면에서 전단력에 의한 파괴가 일어나지 않음을 알 수 있었다. 또한 인장력과 압축력에 의한 고정층 내에서의 파괴도 거의 나타나지 않았다. 그러나 완충재는 전단력에 의해 내부에서 파괴가 일어날 확률이 있었고 이는 완충재가 얇을수록 위험도가 컸다. 그러나 이와 같은 위험은 완충재와 뼈의 점탄성적 성격을 고려하였을 때 고려할만한 수준은 아니라고 판단하였다.
결과적으로 본 연구에서 제안한 완충 고정술은 골두와 인공 고관절 사이에서 압축력을 유발하고 유지할 수 있으며 허용 가능한 수준의 미세움직임을 갖음으로서 골융합이 가능한 안전한 방법이다.
