Analyse des Anpressdrucks in einem 3D-Modell von Dual

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3564 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Hüftgelenkprothesen ersetzen im menschlichen Körper die Funktion des Hüftgelenks. Die neueste Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese verfügt über eine zusätzliche Komponente eines Außenliners, der als Abdeckung für die Linerkomponente dient. Untersuchungen zum Kontaktdruck, der beim neuesten Modell einer Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese während eines Gangzyklus erzeugt wird, wurden noch nie zuvor durchgeführt. Das Modell besteht aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) auf der Innenauskleidung und Edelstahl 316L (SS 316L) auf der Außenauskleidung und der Hüftgelenkpfanne. Die Simulationsmodellierung unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode berücksichtigt statische Belastungen mit einem impliziten Löser zur Untersuchung des geometrischen Parameterdesigns von Hüftgelenkprothesen mit doppelter Mobilität. In dieser Studie wurde eine Simulationsmodellierung durchgeführt, indem unterschiedliche Neigungswinkel von 30°, 40°, 45°, 50°, 60° und 70° auf die Hüftgelenkpfannenkomponente angewendet wurden. Dreidimensionale Belastungen wurden auf Referenzpunkte des Femurkopfes ausgeübt, wobei Variationen des Femurkopfdurchmessers bei 22 mm, 28 mm und 32 mm verwendet wurden. Die Ergebnisse an der Innenfläche des Innenliners, der Außenfläche des Außenliners und der Innenfläche der Hüftgelenkpfanne zeigten, dass die Variationen im Neigungswinkel keinen großen Einfluss auf den maximalen Kontaktdruckwert auf die Linerkomponente haben , wobei die Hüftpfanne mit einem Neigungswinkel von 45° den Kontaktdruck stärker reduzieren kann als die anderen untersuchten Neigungswinkelvarianten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Durchmesser des Femurkopfes von 22 mm den Anpressdruck erhöht. Die Verwendung eines Femurkopfes mit größerem Durchmesser und einer Hüftpfannenkonfiguration mit einer Neigung von 45° kann das Risiko eines Implantatversagens aufgrund von Verschleiß minimieren.

Eine Hüftprothese mit doppelter Mobilität wurde eingeführt, um das Luxationsrisiko um bis zu 0,9 % bei 10-jähriger Nutzung zu reduzieren1 und die allgemeine Stabilität und Bewegungsfreiheit zu erhöhen2,3. Es wurde entwickelt, um den Bewegungsbereich bei täglicher Anwendung zu erhöhen4. Durch einen erweiterten Bewegungsumfang kann ein Impingement in der Hüftgelenkprothese vermieden werden. Zwei allgemeine Wechselwirkungen, die bei einem herkömmlichen Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesenmodell auftreten, sind die Hüftgelenkpfanne mit der Auskleidung und die Auskleidung mit dem Femurkopf, was zu Verschleiß an zwei verschiedenen Stellen führt5,6.

Ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) ist ein weit verbreitetes Material, insbesondere als Lagermaterial für Hüftgelenkersatzoperationen7,8. Der im medizinischen Bereich verwendete UHMWPE-Typ hat ein Molekulargewicht von 3,5 bis 6 Millionen g/mol und einen Kristallinitätsgrad von 50 bis 55 %9. Darüber hinaus werden Metalle im orthopädischen Bereich häufig verwendet, sowohl für temporäre als auch für permanente Ausrüstung. Die Verwendung von Metall in dauerhafter orthopädischer Ausrüstung (Prothese) kann nicht von der Berücksichtigung chemischer Reaktionen getrennt werden, die auftreten können, wenn Metallabrieb mit Körpergewebe, insbesondere Knochen, interagieren10,11,12.

Adam et al.13 fanden heraus, dass es zwei Arten von Verschleiß gibt. Der Verschleiß infolge der Wechselwirkung der konvexen Oberfläche hat einen größeren Wert als der, der auf einer konkaven Oberfläche auftritt. Osteolyse und Metallose werden durch Ablagerungen verursacht, die durch Abnutzung an Komponenten von Hüftgelenkprothesen mit doppelter Beweglichkeit entstehen14,15. Um die Menge an Abrieb aus Polyethylen zu reduzieren, wurde der Auskleidung eine Abdeckkomponente aus Metall hinzugefügt, sodass die konvexe Oberfläche des Polyethylens keinem größeren Verschleiß ausgesetzt war. Darüber hinaus verfügt das Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesenmodell von Saputra et al.16 über eine zusätzliche Außenlinerkomponente, die den gesamten Polyethylenliner abdeckt.

Experimentelle und klinische Tests zur Beurteilung des Verschleißes von Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesen erfordern höhere Kosten, anspruchsvolle Ausrüstung und längere Zeitrahmen17,18,19. Um die Hürden experimenteller und klinischer Studien zu umgehen, können Computersimulationen auf Basis der Finite-Elemente-Methode eine strategische Option sein20,21. Dieser Ansatz kann auch die Grundlage für erste Forschungen zur Entwicklung einer Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese mit verschiedenen Parametern sein, um die Kosten und die Energieverschwendung durch Versuch und Irrtum abzuschätzen, bevor mit weiteren experimentellen und klinischen Tests fortgefahren wird Forschung. Computersimulation spielt eine Schlüsselrolle bei der Vorhersage des Kontaktdrucks und der Bemühungen, ihn zu reduzieren, wobei verschiedene Parameter in einer Hüftgelenkprothese mit doppelter Mobilität untersucht werden. Der Kontaktdruck ist ein wichtiger Aspekt, da er in einem linearen Zusammenhang mit der Abnutzung steht, die eine der Ursachen für Implantatversagen ist22,23.

Gehen ist eine der häufigsten täglichen Aktivitäten des Menschen. Das Hüftgelenk dient als Stütze und Zentrum der menschlichen Gehbewegung24. Der Prozess des menschlichen Gehens ist ein zyklisches Muster von Bewegungen der Gliedmaßen, die die Position des menschlichen Körpers bestimmen25. Der Gangzyklus ist der Zeitraum zwischen zwei identischen Ereignissen im Gangprozess, der als Referenz für den Gangparametertest dient. Beim Gehen erzeugt der Mensch unterschiedliche Kräfte im Hüftgelenk. Die Begriffe Gangzyklus und Kraft werden auch häufig in mehreren Studien zu Hüftgelenkprothesen verwendet26,27.

Basierend auf dem aktuellen Modell der Dual-Mobility-Hüftprothesen16 wurde eine Kontaktdruckuntersuchung unter Berücksichtigung des Gangzyklus noch nicht durchgeführt. Die Menge an Informationen zu diesem Zustand des Anpressdrucks ist notwendig, da das Gehen ein alltägliches Phänomen ist. Daher besteht das Hauptziel der vorliegenden Studie darin, den Kontaktdruck von Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesen während des Gangzyklus zu untersuchen.

Das neue Dual-Mobility-Prothesenmodell von Saputra et al.16 besteht aus einem Femurkopf, einem Innenliner, einem Außenliner und einer Hüftpfanne. Der Femurkopf wurde als analytischer starrer Körper definiert. Die Innenauskleidung bestand aus UHMWPE mit einem Elastizitätsmodul von 1 GPa und einer Poissonzahl von 0,428. Die äußere Auskleidung und die Hüftgelenkpfanne bestanden aus Edelstahl 316L (SS 316L) mit einem Elastizitätsmodul von 193 GPa und einem Poisson-Verhältnis von 0,329.

Basierend auf der Forschung von Saputra et al.16 wurde eine neue geometrische Modellierung durchgeführt. Die Geometrie des Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesendesigns wurde mit der Software ABAQUS CAE 2020 unter Berücksichtigung der statischen Belastung mit einem impliziten Solver untersucht. Die Geometrien der Komponenten sind in Tabelle 1 aufgeführt und wurden durch Übernahme der Geometrie einer häufig verwendeten Single-Mobility-Hüftgelenkprothese mit Femurkopfdurchmessern von 22 mm, 28 mm und 32 mm30 ermittelt und dann für das vorliegende Design übernommen Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese. Basierend auf den Untersuchungen von Gao et al.31 wurde eine Ausgangsposition des Femurkopfes definiert. Die Ausgangsposition wurde verwendet, um den Startpunkt des Gehgangzyklus anzupassen. Das neue Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesendesign ist in Abb. 1 dargestellt. Variationen im Neigungswinkel wurden auf die Hüftgelenkpfannenkomponente angewendet, wie in Abb. 2 dargestellt. Basierend auf der Literatur32 würde der auf die Hüftgelenkpfannenkomponente angewendete Neigungswinkel führen zu unterschiedlichen resultierenden Anpresswerten am Lager der Hüftgelenkprothese. Der Innenliner und der Außenliner weisen bei allen Variationen des verwendeten Neigungswinkels der Hüftgelenkpfanne die gleiche ideale Neigung auf. Im aktuellen Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesenmodell wurden sechs Variationen des Neigungswinkels berücksichtigt, die unter realen Bedingungen auftreten können, übernommen von Gao et al.31, dargestellt in Tabelle 2.

Geometriemodell der vorliegenden Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese.

Variationen im Neigungswinkel der Hüftgelenkpfannenkomponente der neuen Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese.

In dieser Arbeit wurde die Finite-Elemente-Methode verwendet, um den Kontaktdruck des Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesenmodells vorherzusagen. Der 8-Knoten-Hexaeder-Elementtyp mit strukturierter Hex-Netzsteuerung wurde auf alle Komponenten angewendet, wie in Abb. 3a dargestellt. Der Innenliner, der Außenliner und die Hüftgelenkpfanne waren mit Elementgrößen von 1,5 mm, 0,5 mm bzw. 0,5 mm vernetzt (der Liner bestand aus etwa 3800 Elementen, der Außenliner aus etwa 68.000 Elementen und die Pfanne aus etwa 85.000 Elementen). ). Die Anzahl der Elemente wurde in einem Berechnungsmodell berücksichtigt, das auf einer Konvergenzstudie unter Verwendung der H-Verfeinerungsmethode33,34 basiert und dabei durchgeführt wird, indem von der anfänglichen Vernetzung an kleinere Elemente generiert werden, bis eine ausreichende Anzahl von Elementen für ein genaues Ergebnis erhalten wird.

(a) Netz des Modells und (b) Randbedingung für den Fall einer Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese.

Die Randbedingungen der vorliegenden Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese sind in Abb. 3b dargestellt. Die resultierenden Kräfte aus dem Gangzyklus wurden am Referenzpunkt des Femurkopfes aufgebracht. In der aktuellen Studie wurde ein stationärer Kontakt zwischen der Hüftgelenkpfanne, der äußeren Auskleidung, der inneren Auskleidung und dem Femurkopf durchgeführt, wobei die Möglichkeit einer Mikrotrennung und Kantenbelastung außer Acht gelassen wurde. Die Außenfläche der Hüftgelenkpfanne wurde in alle Richtungen fixiert. Es wurde davon ausgegangen, dass der Femurkopf in der Lage ist, sich ohne Bewegung in vertikaler Richtung zu bewegen. Temperaturänderungen während des Kontakts werden nicht berücksichtigt. Die Oberflächenrauheit in der Kontaktschnittstelle von der Innenfläche der Hüftgelenkpfanne mit der Außenfläche des Außenliners und der Innenfläche des Innenliners mit der Außenfläche des Femurkopfes ist reibungsfrei eingestellt. Dann fehlt der Einfluss der Gelenkflüssigkeit im Rahmen eines Trockenkontakts.

Die dreidimensionale konzentrierte quasistatische Kraft zu bestimmten Zeitpunkten des Gangzyklus wurde auf der Grundlage von Untersuchungen von Paul35 übernommen. Um die Computersimulation zu vereinfachen, nimmt die vorliegende Computersimulation sechs spezifische Zeitpunkte des Gangzyklus an, die den gesamten Gangzyklus darstellen, und bezieht sich dabei auf die frühere Forschung von Ammarullah et al.33,36. Die sechs spezifischen Zeitpunkte beschreiben mehrere Zustände: 0 % ist der Beginn des Gangzyklus, 20 % ist der zweithöchste Höhepunkt des Gangzyklus, 35 % ist die niedrigste Kraft vor dem Ende des Gangzyklus, 50 % ist die Mitte 65 % ist der erste höchste Höhepunkt und 100 % das Ende des Gangzyklus.

Das in der vorliegenden Studie erstellte Rechenmodell muss anhand der bisherigen Literatur überprüft werden, um die Richtigkeit der erzielten Ergebnisse sicherzustellen. Zu diesem Zweck werden die Ergebnisse der Computersimulation mit früheren Studien von Gao et al.31,37 mit Hüftgelenkprothesenmodellen mit einfacher und doppelter Mobilität verglichen. Die Anpressdruckwerte werden unter identischen Bedingungen und Parametern hinsichtlich Belastung, Materialeigenschaften und Randbedingungen verglichen. Wenn der Vergleich einen ähnlichen Trend mit relativ ähnlichen Ergebnissen aufweist (unter 15 % für jeden bestimmten Zeitpunkt des Gangzyklus), kann das aktuelle Modell bei erfolgreicher Verifizierung der Ergebnisse als gültig angesehen werden, sodass eine Datenanalyse durchgeführt werden kann .

Abbildung 4a,b zeigt den Vergleich der Kontaktdruckergebnisse zwischen dem vorliegenden Modell und der veröffentlichten Arbeit von Gao et al.31,37. Basierend auf Abb. 4 zeigen die Ergebnisse in einem Gangzyklus zwischen der aktuellen Studie und Gao et al.31,37 einen ähnlichen Trend. Der Unterschied im Anpressdruck zeigt eine gute Übereinstimmung mit der Abweichung von 6,38–11 % für jeden spezifischen Zeitpunkt des Gangzyklus. Der relativ geringe Ergebnisunterschied von unter 15 % macht das aktuelle Modell gültig.

Kontaktdruckvalidierung mit Gao et al.31,37: (a) Hüftgelenkprothesenmodelle mit einfacher Mobilität, (b) mit doppelter Mobilität.

Die Konturverteilungen des maximalen Kontaktdrucks auf der Innenfläche des Innenliners, der Außenfläche des Außenliners und der Innenfläche der Hüftgelenkpfanne sind in Abb. 5a–c jeweils während des Gangzyklus unten dargestellt verschiedene Variationen des Neigungswinkels der Hüftgelenkpfanne. Die Innen- und Außenschale haben die gleiche Position, während die Hüftpfanne unterschiedliche Neigungswinkel aufweist. Alle gezeigten Daten wurden ermittelt, als der Gangzyklus basierend auf Pauls Gangzyklus35 etwa 65 % erreichte, da in diesem Moment die Spitzenbelastung des Gangzyklus auftritt. Dies bedeutet, dass der höchste Anpressdruck während der Spitzenbelastung des Gangzyklus auftritt.

Konturdiagramm des Kontaktdrucks auf aktuelle Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesenkomponenten: (a) Innenfläche des Innenliners, (b) Außenfläche des Außenliners, (c) Innenfläche der Hüftgelenkpfanne.

Der vom Innenliner erzeugte maximale Kontaktdruck ist in Abb. 6a–d dargestellt. Dies zeigt, dass die auf die Hüftpfanne ausgeübte Neigung keinen Einfluss auf den maximalen Kontaktdruck auf der Innenfläche des Innenliners hatte. Jede Kurve stellt eine Variation der Neigungswinkel dar, die auf eine Hüftgelenkpfanne angewendet werden. Es gab geringfügige Unterschiede im maximalen Kontaktdruck der Innenfläche des Innenliners bei jedem Neigungswinkel, der auf die Hüftgelenkpfanne ausgeübt wurde. In Abb. 6a–c ist zu erkennen, dass alle Kurven übereinstimmende Ergebnisse zeigen.

Anpressdruck auf der Innenfläche des Innenliners: (a) Modell mit 22-mm-Hüftkopf, (b) Modell mit 28-mm-Hüftkopf, (c) Modell mit 32-mm-Hüftkopf, (d) Anpressdruckvergleich verschiedene Kopfdurchmesser bei 45°-Neigungsmodellen.

Abbildung 6a–d zeigt den maximalen Kontaktdruck auf der Innenfläche des Innenliners für jede Variation der Femurkopfdurchmesser von 22 mm, 28 mm bzw. 32 mm. Die maximalen Kontaktdrücke bei den Modellen mit 22 mm, 28 mm und 32 mm Femurkopfdurchmesser betragen bei 65 % Fortschritt des Gangzyklus 20,78 MPa, 15,16 MPa bzw. 12,94 MPa. Das 22-mm-Modell erzeugt den höchsten Anpressdruck zwischen allen Durchmesservarianten, gefolgt von den 28-mm- und 32-mm-Modellen. Der maximale Kontaktdruck jedes Modells erreicht seinen Maximalpunkt bei 65 % Fortschritt des Gangzyklus aufgrund der dreidimensionalen konzentrierten Kräfte, die bei diesem Zustand ihr Maximum erreichten, basierend auf Paul35.

Die Abbildungen 7 und 8 zeigen, dass die Neigung der Pfanne den maximalen Kontaktdruck beeinflusst, der sowohl auf der Außenfläche des Außenliners als auch auf der Innenfläche der Hüftgelenkpfanne erzeugt wird. Die 45°-Neigungsmodellkurve an beiden Komponenten weist im Vergleich zu anderen Kurven mit unterschiedlichen Neigungswinkeln die geringsten Schwankungen auf. Die 45°-Neigung führte dazu, dass alle drei Komponenten (Innenschale, Außenschale und Hüftpfanne) gleichmäßig geneigt waren. Drei identische Komponentenpositionen führten zu einer größeren Kontaktfläche, die sich auf die während der Simulation erzeugten maximalen Kontaktdrücke auswirkte. Korduba et al.38 gaben an, dass eine größere Kontaktfläche, die durch die Neigungsposition (Abduktion) der Pfanne beeinflusst wird, zu einem geringeren erzeugten Kontaktdruck führt. Diese Daten zeigten eine ähnliche Übereinstimmung bei allen Modelltypen mit unterschiedlichen Femurkopfdurchmessern.

Anpressdruck auf der Außenfläche des Außenliners: (a) Modell mit 22-mm-Hüftkopf, (b) Modell mit 28-mm-Hüftkopf, (c) Modell mit 32-mm-Hüftkopf, (d) Anpressdruckvergleich verschiedene Kopfdurchmesser bei 45°-Neigungsmodellen.

Anpressdruck auf die Innenfläche der Hüftpfanne: (a) Modell mit 22 mm-Hüftkopf, (b) Modell mit 28 mm-Hüftkopf, (c) Modell mit 32 mm-Hüftkopf, (d) Anpressdruckvergleich unterschiedlicher Kopfdurchmesser beim 45°-Neigungsmodell.

Die Größenunterschiede aller Komponenten der Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese beeinflussten den Wert des erzeugten Kontaktdrucks jeder Komponente. Ein größerer Femurkopf führte zu einem allgemein geringeren Anpressdruck auf alle Komponenten. Alle Vergleiche des Kontaktdrucks, der von allen drei Komponenten bei jeder Größenvariation erzeugt wird, sind in den Abbildungen zu sehen. 6, 7 und 8. Basierend auf den in den Abb. gezeigten Daten. 6, 7 und 8 führte die größere Größe des Femurkopfes im Allgemeinen zu einem geringeren Kontaktdruck auf die drei Komponenten (Innenauskleidung, Außenauskleidung und Hüftgelenkpfanne).

Das Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesenmodell wurde verwendet, um den Verschleiß des Implantats im Vergleich zu einer Single-Mobility-Hüftgelenkprothese zu reduzieren, die sich sowohl aus mechanischer39 als auch aus medizinischer40 Sicht bewährt hat. Laut Jamari et al.29 korreliert der Kontaktdruck linear mit der Abnutzung der Implantatlager; Daher können Kontaktdruckstudien Aufschluss über die Intensität des Verschleißes an Implantatlagern geben. Der maximale Kontaktdruck, der von der Innenfläche des Innenliners, der Außenfläche des Außenliners und der Innenfläche der Hüftgelenkpfanne bei einer Neigung von 45° erzeugt wird, zeigte einen niedrigeren Kontaktdruckwert als die anderen Neigungsmodelle (30°, 40°, 50°, 60° und 70°) für den gleichen Femurkopfdurchmesser, egal ob 22 mm, 28 mm oder 32 mm. Die Diagramme des maximalen Kontaktdrucks, die von der Innenfläche des Innenliners für jeden Femurkopfdurchmesser erzeugt wurden, wurden durch die Neigungen der Hüftgelenkpfanne nicht beeinflusst. Die Kurven im Diagramm, die jeden Neigungswinkel darstellen, neigen dazu, miteinander übereinzustimmen. Diese Ergebnisse bewiesen, dass die Neigungswinkelschwankungen keinen großen Einfluss auf den Kontaktdruck hatten. Die Diagramme des maximalen Kontaktdrucks von der Außenfläche des Außenliners zeigten, dass die Becherneigungen ausreichten, um den resultierenden Kontaktdruck zu beeinflussen. Die Kurve mit einem Neigungswinkel des Modells von 45° zeigte die geringsten Schwankungen. Der Unterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Kontaktdruck während des Gangzyklus ist nicht zu groß und beträgt im Vergleich zu anderen Modellen bei jedem angewendeten Neigungswinkel nicht mehr als 10 MPa. Dies bedeutet, dass die 45°-Neigung den Kantenkontakt minimieren kann, der zum Bandverschleiß führt41. Der Kontaktdruckwert bei der 45°-Neigung weist im Vergleich zu anderen Neigungswinkeln in dieser Studie den niedrigsten Kontaktdruck während des Gangzyklus auf, was darauf hindeutet, dass er den Verschleiß minimieren und die Lebensdauer des Implantats verlängern kann22,29. Der resultierende Kontaktdruck auf der Innenfläche des Bechers zeigte den gleichen Kurventrend wie die Kurven auf den Daten der Außenauskleidung. Schwankungen im Neigungswinkel hatten einen großen Einfluss auf den Anpressdruck des Bechers, wenn das Modell belastet wurde. Alle Modelle außer den 45°-Neigungsmodellen zeigten mehr Schwankungen in den Datendiagrammen.

Bei dieser Modellierung hatten Variationen im Neigungswinkel nur einen geringen Einfluss auf den resultierenden Kontaktdruck. Die innere Liner-Komponente im aktuellen Modell hatte eine stabilere Kontaktdruckgröße im Gangzyklus als der Liner (ohne äußeren Liner) aus dem herkömmlichen Dual-Mobility-Hüftimplantatmodell von Gao et al.31. Das Vorhandensein eines Außenliners, der die Außenfläche des Innenliners bedeckte, basierend auf dem Implantatdesign nach Saputra et al.16, beeinflusste den gesamten resultierenden Kontaktdruckwert aller Komponenten, insbesondere des Innenliners. Aus den Datendiagrammen ist ersichtlich, dass alle Kurven, die das Modell mit einer Variation des Neigungswinkels darstellen, miteinander übereinstimmen, sodass alle Kurven wie eine einzige Linie aussehen.

Der maximale Kontaktdruckwert an der Hüftpfanne war im Vergleich zum Modell von Gao et al.31 im Allgemeinen höher. Das Vorhandensein der äußeren Liner-Komponente führte im vorliegenden Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesenmodell zu einem niedrigeren maximalen Kontaktdruckwert auf den inneren Liner im Vergleich zum Liner (ohne äußeren Liner) von Gao et al.31. Modelle mit einem Neigungswinkel von 45° für jeden Femurkopfdurchmesser hatten tendenziell einen geringeren Kontaktdruck auf die äußere Auskleidung und die Hüftpfanne als Modelle mit anderen Neigungen. Dies könnte passieren, weil bei einer Pfannenneigung von 45° alle drei Komponenten des Implantatmodells (Innenauskleidung, Außenauskleidung und Hüftgelenkpfanne) die gleiche Position und Neigung hätten. Die drei Komponenten bedecken die Oberfläche der anderen, sodass der Kontaktbereich auf der Oberfläche jeder Komponente stärker „verbunden“ ist.

Der Kontaktdruck der vorliegenden Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese wurde auch mit einer früheren Studie von Uddin42 verglichen, in der ein 22,2-mm-Femurkopfdesign verwendet wurde. Bei Variationen des Neigungswinkels der Hüftpfannenkomponente von 45°, 50°, 55° und 60° betrugen die maximalen Kontaktdrücke auf der Innenfläche des Liners (ohne Verwendung des Außenliners) von Uddin42 21,57 MPa, 21,27 MPa, 21,76 MPa bzw. 22,19 MPa. Dieses Ergebnis ist für alle geometrischen Variationen (22 mm, 28 mm und 32 mm) bei gleicher Neigung der Hüftgelenkpfanne besser als das derzeitige Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesendesign. Dies weist darauf hin, dass das aktuelle Design eine verbesserte Leistung im Hinblick auf die Minimierung von Ausfällen aufgrund von Verschleiß aufweist. Da das aktuelle Design außerdem eine Außenauskleidung verwendet, um die Polyethylenauskleidung (als Innenauskleidung) abzudecken, kann die Möglichkeit negativer Körperreaktionen durch Polyethylen-Verschleißpartikel verringert werden. Der äußere Liner in der vorliegenden Studie ist auch ein Designvorteil, der bei früheren Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesendesigns, wie sie beispielsweise von Uddin42 und Gao et al.31 entwickelt wurden, nicht verfügbar war.

Der Grad der Neigung der Hüftgelenkpfanne beeinflusst die Kontaktfläche. Basierend auf der Studie von Korduba et al.38 führte ein auf die Komponente angewendeter Abduktionswinkel von 0° zu dem niedrigsten Kontaktdruckwert auf der Komponente. Bei einer Abduktion (Neigung) von 0° vergrößerte sich die Kontaktfläche, so dass der erzeugte Anpressdruck geringer ausfiel. Dies folgt auch den in der aktuellen Studie gewonnenen Daten; Wenn die Pfanne um 45° geneigt wird, führt dies im Allgemeinen zu einem geringeren maximalen Kontaktdruck für alle Komponenten (Innenauskleidung, Außenauskleidung und Hüftgelenkpfanne). Die Ergebnisse der aktuellen Studie zeigen eine gute Übereinstimmung mit Korduba et al.38; Wenn eine Abduktion von 0° auf die Komponente angewendet würde, würde dies aufgrund einer größeren Kontaktfläche zu einem geringeren Kontaktdruck führen. Eine größere Kontaktfläche würde zu mehr „verbundenem“ Kontakt für jede Komponente des Implantatmodells führen.

Bei der derzeitigen Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese gibt es mehrere Einschränkungen, die sich auf die erhaltenen Kontaktdruckwerte auswirken können. Erstens berücksichtigt das aktuelle Modell nur Lagerkomponenten, die aus der Hüftpfanne, der Außenschale, der Innenschale und dem Femurkopf bestehen. Allerdings berücksichtigt das aktuelle Modell nicht den Einfluss des Beckenknochens und die Rolle der Hüftgelenkpfannenfixierung, wodurch die Ergebnisse der Computersimulation weniger genau sind, da sie vereinfacht wurden, um schnellere Abschlusszeiten für die Computersimulation zu erreichen43,44. Zweitens werden Hüftgelenkimplantate unter realen Bedingungen mit Synovialflüssigkeit geschmiert, einem natürlichen menschlichen Gelenkschmiermittel. Leider hält das aktuelle Modell immer noch den trockenen Kontakt aufrecht, indem es den Einfluss der Synovialflüssigkeit negiert45,46. Als nächstes wird davon ausgegangen, dass die verwendeten Materialien – SS 316L und UHMWPE – linear elastisch sind. Angesichts seiner plastischen Dehnungseigenschaften sollte davon ausgegangen werden, dass UHMWPE nichtlinear plastisch ist47,48. Darüber hinaus führt die vorliegende rechnerische Kontaktdruckvorhersage keine Sensitivitätsstudien durch. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Bewertung potenzieller Ungenauigkeiten bei der Schätzung von Modelleingaben (z. B. Materialeigenschaften), die die Modellvorhersagen und die aus der Analyse dieser Vorhersagen gezogenen Schlussfolgerungen beeinflussen. Darüber hinaus wurde der Gangzyklus in der vorliegenden Studie von Paul35 mit quasistatischer Kraft zu bestimmten Zeitpunkten übernommen, um die Berechnungskonfiguration zu vereinfachen. Dynamische Kraft während des gesamten Zyklus ist erforderlich, um realistischere, genauere Kontaktdruckergebnisse bei Hüftgelenkprothesen mit doppelter Mobilität zu erhalten49,50. Schließlich wurden die vorliegenden Ergebnisse nur von Gao et al.31,37 anhand von rechnerischen Simulationsergebnissen zu Single- und Dual-Mobility-Hüftgelenkprothesen validiert, ein Vergleich mit entsprechenden Experimenten wurde in der vorliegenden Studie jedoch nicht durchgeführt. Zukünftige Forschung zu Hüftgelenkprothesen mit doppelter Mobilität ist dringend erforderlich, um die Literatur aufgrund des aktuellen Forschungsmangels zu ergänzen.

Die Variationen im Neigungswinkel hatten keinen Einfluss auf den maximalen Kontaktdruck des Innenliners während des Gangzyklus. Es gab geringfügige Unterschiede im maximalen Kontaktdruck der Innenauskleidung bei jedem Neigungswinkel, der auf die Hüftgelenkpfanne ausgeübt wurde, was zu nahezu übereinstimmenden Diagrammen der aufgezeichneten Daten führte. Andererseits wurden der äußere Liner und die Pfanne durch den angewendeten Neigungswinkel beeinflusst, was bei jeder Variation des Femurkopfdurchmessers zu geringeren Schwankungen auf der 45°-Neigungsmodellkurve führte. Daraus lässt sich schließen, dass der maximale Kontaktdruck der Innenfläche des Außenliners beim aktuellen FE-Modell im Vergleich zur herkömmlichen Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese stabilere Ergebnisse zeigt. Die am wenigsten schwankenden Kontaktdruckkurven von Außenliner und Becher bei den 45°-Neigungsmodellen wurden durch die gleiche Position aller drei Komponenten verursacht. Eine solche Bedingung führt zu einer größeren Kontaktfläche für jede interagierende Komponente, was sich auf den maximalen Kontaktdruck auswirkt. Das vorliegende Modell einer Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese mit einem Femurkopf mit 32 mm Durchmesser und einem Neigungswinkel der Hüftpfanne von 45° weist eine bessere Fähigkeit zur Verschleißreduzierung auf.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Fakultät für Maschinenbau, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Diponegoro-Universität, Semarang, 50275, Zentral-Java, Indonesien

Mohammad Tauviqirrahman, J. Jamari, Febri Dwi Kurniawan und Shidnan Amir Shiddiq

Fakultät für Maschinenbau, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Pasundan-Universität, Bandung, 40153, West-Java, Indonesien

Muhammad Imam Ammarullah

Forschungszentrum für Biomechanik und Biomedizintechnik, Pasundan-Universität, Bandung, 40153, West-Java, Indonesien

Muhammad Imam Ammarullah

Undip Biomechanics Engineering and Research Center (UBM-ERC), Diponegoro University, Semarang, 50275, Zentral-Java, Indonesien

Muhammad Imam Ammarullah, J. Jamari, Tri Indah Winarni, Febri Dwi Kurniawan und Shidnan Amir Shiddiq

Fakultät für Maschinenbau, Semarang State Polytechnic, Semarang, 50275, Zentral-Java, Indonesien

Öko-Saputra

Abteilung für Anatomie, Medizinische Fakultät, Diponegoro-Universität, Semarang, 50275, Zentral-Java, Indonesien

Tri Indah Winarni

Zentrum für biomedizinische Forschung (CEBIOR), Medizinische Fakultät, Diponegoro-Universität, Semarang, 50275, Zentral-Java, Indonesien

Tri Indah Winarni

Abteilung für Mechanik von Festkörpern, Oberflächen und Systemen (MS3), Fakultät für Ingenieurtechnik, Universität Twente, Postfach 217, 7500 AE, Enschede, Niederlande

Emile van der Heide

Labor für Oberflächentechnologie und Tribologie, Fakultät für Ingenieurtechnik, Universität Twente, Postfach 217, 7500 AE, Enschede, Niederlande

Emile van der Heide

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JJ und TIW führten Konzeptualisierung und Finanzierungsakquise durch, FDK verfasste die Vorbereitung des Originalentwurfs, MT und MIA führten das Schreiben durch – Überprüfung und Bearbeitung, Untersuchung, MT; ES führte die Datenkuratierung und -visualisierung durch, EV-H lieferte Software und Ressourcen, FDK und SAS sorgten für die Projektverwaltung, JJ schlug Methodik vor, TIW und EV-H; Aufsicht, MT, MIA und ES führten eine formale Analyse durch. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt

Korrespondenz mit Mohammad Tauviqirrahman.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tauviqirrahman, M., Ammarullah, MI, Jamari, J. et al. Analyse des Kontaktdrucks in einem 3D-Modell einer Dual-Mobility-Hüftgelenkprothese unter einem Gangzyklus. Sci Rep 13, 3564 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30725-6

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Eingegangen: 29. April 2022

Angenommen: 28. Februar 2023

Veröffentlicht: 02. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30725-6

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