Auswirkung der Schwingstrecke und des Platten-Winkels einer Doppelplatten-Osteosynthese in einem ovinen Tibia-Defektmodell - eine Finite-Elemente-Analyse

Abstract

Background Segmental defects of the bone occur mainly as a result of therapy for osteomyelitis, pseudarthrosis, resection of tumors and from complex fractures. The critical sized defect (CSD) is characterized by its inability to heal without treatment within the lifespan of an animal. Ovine tibial defect models have been established for the study of CSD. Bone healing depends on biomechanical stimulation in the fracture gap. In this regard, the healing process can be influenced by scaffolds or implants. For non-load bearing properties, these often require additional osteosynthetic stabilization. Objectives The aim of this study was to determine a biomechanically optimized plate osteosynthesis of a CSD in the ovine tibial defect model for non-load bearing scaffolds that minimizes the risk of implant failure and still stimulates bone healing. Design and Methods Finite element analysis was performed in Abaqus 2018 (Dassault Systèmes). An ovine tibial defect model with a diaphyseal CSD (4 cm) was modeled according to the CT slice imaging performed. Twenty-four osteosynthesis models with double-plate osteosyntheses (DPO) with 120° or 40° plate angle with locking plates (3.5 mm LCP) were compared with single-plate osteosynthesis (4.5 mm LCP) with axial loading at 2000 N and torsion at 25 Nm. The models differed by plate length, plate-to-bone distance, number of screws and plate working length. Results Single-plate osteosynthesis in a CSD resulted in implant failure within the first loading cycles. In the DPO, the 120° configuration resulted in an 12.9 times higher shear stiffness and 39% higher torsional stiffness than the 40° configuration. Extending the plate working length of the DPO by 13 mm using longer osteosynthesis plates reduced shear stiffness by 6.3% and torsional stiffness by 17.1%. When the swing distance was increased by the same length by removing the innermost two screws, shear stiffness was reduced by 12.4% and torsional stiffness by 18.1%. Conclusion The main factor influencing the biomechanics of the DPO is the plate angle. In addition, the plate working length also has an substantial influence. The DPO allows a more homogeneous axial deformation in the defect gap, which can stimulate secondary bone healing as well as reduce the risk of implant failure. A large plate angle may result in high stiffness, which hinders adequate stimulation of secondary bone healing. The optimized biomechanical osteosynthesis of a 4 cm CSD was obtained by 40° DPO with 11- and 12-hole plate, 12 screws, with plate working length of 74 cm and 0.3 mm plate-to-bone distance.

Hintergrund Segmentale Defekte des Knochens entstehen vorwiegend bei der Therapie von Osteomyelitiden, Pseudarthrosen, Resektionen von Tumoren sowie aus komplexen Frakturen. Der kritische Knochendefekt (CSD) zeichnet sich dadurch aus, dass er nicht selbstständig innerhalb der Lebensspanne eines Tieres ausheilt. Ovine Tibia-Defektmodelle sind für die Untersuchung des CSD etabliert. Die Knochenheilung hängt von der biomechanischen Stimulation im Defektspalt ab. Dabei lässt sich der Heilungsverlauf durch Scaffolds oder Implantate beeinflussen. Bei nicht lasttragenden Eigenschaften bedürfen diese häufig einer zusätzlichen osteosynthetischen Stabilisierung. Zielsetzung Ziel der Studie war eine biomechanisch optimierte Plattenosteosynthese eines CSD im ovinen Tibiadefektmodell für nicht lasttragende Scaffolds zu bestimmen, die das Risiko eines Implantatversagens minimiert und trotzdem die Knochenheilung stimuliert. Methodik Die Finite-Elemente-Analyse wurde in Abaqus 2018 (Dassault Systèmes) durchgeführt. Ein ovines Tibia-Defektmodel mit einem diaphysären CSD (4 cm) wurde entsprechend der durchgeführten CT-Schnittbildgebung modelliert. 24 Osteosynthesemodelle mit Doppelplattenosteosynthesen (DPO) mit 120° oder 40° Plattenwinkel mit winkelstabilen Platten (3,5 mm LCP) wurden mit einer Einzelplattenosteosynthese (4,5 mm LCP) bei axialer Belastung mit 2000 N sowie einer Torsion mit 25 Nm verglichen. Die Modelle unterschieden sich durch die Plattenlänge, Platten-Knochendistanz, Schraubenanzahl und die freie Schwingstrecke. Ergebnisse Eine Einzelplatten-Osteosynthese in einem CSD führt zum Implantatversagen innerhalb der ersten Belastungszyklen. Bei der DPO führte die 120° Konfiguration zu einer durchschnittlich 12,9-fach höheren Schub- und einer 39 % höheren Torsionssteifigkeit als die 40° Konfiguration. Eine Verlängerung der Schwingstrecke der DPO um 13 mm durch längere Osteosyntheseplatten reduzierte die Schubsteifigkeit um 6,3 %, die Torsionssteifigkeit um 17,1 %. Wurde die Schwingstrecke um die gleiche Länge durch Entfernen der innersten zwei Schrauben erreicht, so verringerte sich die Schubsteifigkeit um 12,4 %, die Torsionssteifigkeit um 18,1 %. Schlussfolgerung Der wesentliche Einflussfaktor auf die Biomechanik der DPO ist der Plattenwinkel, daneben hat auch die freie Schwingstrecke einen Einfluss. Die DPO ermöglicht eine homogenere axiale Verformung im Defektspalt, die die sekundäre Knochenheilung stimulieren sowie eine Risikoreduktion für ein Implantatversagen bewirken kann. Ein großer Plattenwinkel kann zu einer hohen Steifigkeit führen, die eine ausreichende Stimulation der sekundären Knochenheilung unterbindet. Die gesuchte optimierte biomechanische Versorgung eines 4 cm CSD wurde durch die 40° DPO mit 11- und 12-Loch Platte, 12 Schrauben, mit freier Schwingstrecke von 74 cm und 0,3 mm Platten-Knochen-Distanz erlangt.