Biomechanical Behaviour of Bone-Implant Interface: A Review

International audienceIn recent decades, cementless implants have been widely used in clinical practice to replace missing organs, to replace damaged or missing bone tissue or to restore joint functionality. However, there remain risks of failure which may have dramatic consequences. The success of an implant depends on its stability, which is determined by the biomechanical properties of the bone–implant interface (BII). The aim of this review article is to provide more insight on the current state of the art concerning the evolution of the biomechanical properties of the BII as a function of the implant's environment. The main characteristics of the BII and the determinants of implant stability are first introduced. Then, the different mechanical methods that have been employed to derive the macroscopic properties of the BII will be described. The experimental multi-modality approaches used to determine the microscopic biomechanical properties of periprosthetic newly formed bone tissue are also reviewed. Eventually, the influence of the implant's properties, in terms of both surface properties and biomaterials, is investigated. A better understanding of the phenomena occurring at the BII will lead to (i) medical devices that help surgeons to determine an implant's stability and (ii) an improvement in the quality of implants

elastography of the bone-implant interface

International audiencethe stress distribution around endosseous implants is an important determinant of the surgical success. However, no method developed so far to determine the implant stability is sensitive to the loading conditions of the bone-implant interface (Bii). the objective of this study is to investigate whether a quantitative ultrasound (QUS) technique may be used to retrieve information on compressive stresses applied to the BII. An acousto-mechanical device was conceived to compress 18 trabecular bovine bone samples onto coin-shaped implants and to measure the ultrasonic response of the Bii during compression. the biomechanical behavior of the trabecular bone samples was modeled as Neo-Hookean. The reflection coefficient of the BII was shown to decrease as a function of the stress during the elastic compression of the trabecular bone samples and during the collapse of the trabecular network, with an average slope of −4.82 GPa −1. the results may be explained by an increase of the bone-implant contact ratio and by changes of bone structure occurring during compression. the sensitivity of the QUS response of the Bii to compressive stresses opens new paths in the elaboration of patient specific decision support systems allowing surgeons to assess implant stability that should be developed in the future. Endosseous cementless titanium implants are now widely used in orthopedic, dental and maxillofacial surgeries 1,2. However, despite a routine clinical use, osseointegration failures still occur and may have dramatic consequences. The implant surgical success is directly determined by the evolution of the biomechanical properties of the bone-implant interface (BII) 3-5. During surgery, endosseous implants are inserted in a slightly undersized bone cavity formed by drilling or cutting, leading to a pre-stressed state of the bone-implant system referred to as primary implant stability. A compromise should be found between (i) insufficient primary stability leading to excessive interfacial micromotion following surgery 6-8 , which may imply implant migration 9 and failure and (ii) excessive stresses at the BII, which may lead to bone necrosis 10,11. During healing, osseointegration phenomena, corresponding to an apposition of bone tissue around the implant surface, are stimulated by "low level" stresses applied to the BII 12 , but excessive level of stresses may damage the consolidating BII and lead to implant failure. As a consequence, the stress distribution around the implant during and after surgery is an important determinant for the implant success 13 , but it remains difficult to be assessed experimentally. X-ray based techniques 14 and magnetic resonance imaging 15 cannot be used to assess the level of stress at the BII due to diffraction phenomena related to the presence of metal. Therefore, biomechanical methods are needed. An interesting approach to assess the level of stress at the BII consists in employing finite element analysis (FEA). For example, stress and strain fields have been predicted around the BII in the context of dental 16,17 and orthopedic implants applications 18. The results showed that stresses in the range of 0-10 MPa could be obtained at the BII, depending on the physiological boundary conditions. However, despite the progresses realized in computational analyses, it remains difficult to assess in a patient specific manner the loading conditions at the BII due to the complexity of the implant geometry and of the bone material properties. Different biomechanical techniques have been developed to assess implant stability. For example, percussion test methods based on the measurement of the contact duration between the implant and the impacting device have been developed in the context of dental 19 and orthopedic surgery 20,21. The most commonly used biome-chanical technique is the resonance frequency analysis (RFA) 22 , which consists in measuring the first bendin

Reflection of an ultrasonic wave on the bone-implant interface: Effect of the roughness parameters

Quantitative ultrasound can be used to characterize the evolution of the bone-implant interface (BII), which is a complex system due to the implant surface roughness and to partial contact between bone and the implant. The aim of this study is to derive the main determinants of the ultrasonic response of the BII during osseointegration phenomena. The influence of (i) the surface roughness parameters and (ii) the thickness W of a soft tissue layer on the reflection coefficient r of the BII was investigated using a two-dimensional finite element model. When W increases from 0 to 150 μm, r increases from values in the range [0.45; 0.55] to values in the range [0.75; 0.88] according to the roughness parameters. An optimization method was developed to determine the sinusoidal roughness profile leading to the most similar ultrasonic response for all values of W compared to the original profile. The results show that the difference between the ultrasonic responses of the optimal sinusoidal profile and of the original profile was lower to typical experimental errors. This approach provides a better understanding of the ultrasonic response of the BII, which may be used in future numerical simulation realized at the scale of an implant

Étude d'une méthode d'inversion basée sur la simulation pour la caractérisation de fissures détectées par ultrasons dans un composant revêtu

Jury : M. Pierre CALMON, Ingénieur de Recherche CEA,Saclay M. Frédéric COHEN-TENOUDJI, Professeur M. Gilles CORNELOUP, Professeur M. Jean-François DE BELLEVAL, Professeur M. Frédéric LASSERRE, Ingénieur Intercontrôle M. Daniel ROYER, ProfesseurThis work deals with the inversion of ultrasonic data. The industrial context of the study in the non destructive evaluation of the internal walls of French reactor pressure vessels. Those inspections aim at detecting and characterizing cracks. Ultrasonic data correspond to echographic responses obtained with a transducer acting in pulse echo mode. Cracks are detected by crack tip diffraction effect. The analysis of measured data can become difficult because of the presence of a cladding, which surface is irregular. Moreover, its constituting material differs from the one of the reactor vessel. A model-based inverse method uses simulation of propagation and of diffraction of ultrasound taking into account the irregular properties of the cladding surface, as well as the heterogeneous nature of the component. The method developed was implemented and tested on a set of representative cases. Its performances were evaluated by the analysis of experimental results. The precision obtained in the laboratory on experimental cases treated is conform with industrial expectations motivating this study.Le travail effectué au cours de cette thèse porte sur l'inversion de données ultrasonores. Le contexte industriel en est le contrôle non destructif des cuves de réacteurs à eau pressurisée. Ces contrôles visent à détecter et caractériser des fissures. Les données ultrasonores se présentent sous la forme d'échographies obtenues à l'aide d'un capteur fonctionnant en émission-réception. Les fissures sont détectées par diffraction de leurs arêtes. L'analyse des données obtenues est rendue difficile du fait de l'existence d'un revêtement dont la surface est irrégulière et dont le matériau diffère du matériau constitutif de la cuve. Une méthode est ici proposée pour localiser avec précision les arêtes diffractantes et donc permettre un dimensionnement des fissures à partir des échographies ultrasonores obtenues. Cette méthode s'appuie sur l'application d'outils de modélisation de la propagation et de la diffraction des ultrasons prenant en compte à la fois le caractère irrégulier de la surface et la nature hétérogène du composant. La méthode développée a fait l'objet d'une implémentation informatique et a pu être testée sur un ensemble de cas représentatifs. En particulier, ses performances ont été évaluées à partir de l'analyse de résultats expérimentaux. La précision obtenue en laboratoire sur les cas expérimentaux traités est conforme à la demande industrielle qui a motivé cette étude

Computational multiple scattering analysis of elastic waves in unidirectional composites

A numerical procedure is presented in this paper for the two-dimensional, time-harmonic elastodynamic multiple scattering problems for unidirectional fiber-reinforced composites. The proposed procedure is based on the eigenfunction expansion of the displacement potentials and the numerical collocation method to solve the expansion coefficients, and is capable of modeling arbitrary fiber arrangements. To demonstrate the applicability of the procedure, the P and SV wave propagation characteristics in unidirectional fiber-reinforced composites are analyzed for different fiber arrangements and fiber volume fractions. The simulated results are shown to capture the detailed features of the local wave fields in the composites accompanying the mode conversion. From the computed wave fields, the effective phase velocities of the composites are identified as functions of the frequency, and found to be in good agreement with the predictions of a micromechanical model for random composites. The energy transmission spectra of the P and SV waves are also demonstrated, which exhibit the stop-band formation for the composites with regular fiber arrangements

Étude d'une méthode d'inversion basée sur la simulation pour la caractérisation de fissures détectées par ultrasons dans un composant revêtu

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Dispersion de vitesse dans l'os trabéculaire: influence de la diffusion indépendente et de l'absorption visqueuse

National audienceLes mesures de vitesse sont utilisées en clinique pour estimer la solidité osseuse. L'os trabéculaire est un matériau composite atténuant dans lequel des valeurs négatives de dispersion de vitesse ont été mesurées ; ce phénomène restant mal expliqué d'un point de vue physique. Le but de ce travail est de décrire la propagation ultrasonore dans l'os trabéculaire modélisé par des cylindres infinis immegrés dans une matrice saturante et d'estimer les déterminants physiques de la dispersion de vitesse. Un modèle d'homogénéisation original prenant en compte le couplage des phénomènes de diffusion indépendente et d'absorption viscoélastique permet le calcul de la vitesse de phase et de la dispersion en fonction des propriétés de l'os. La première étape du modèle consiste en un calcul du coefficient d'atténuation pour l'ensemble des fréquences. La deuxième étape du modèle correspond à l'application des relations générales de Kramers-Krönig afin de déterminer la dépendance fréquentielle de la dispersion de vitesse. Le modèle prédit des valeurs négatives de dispersion de vitesse en accord avec les résultats expérimentaux obtenus dans des phantomes d'os trabéculaire. Dans l'os trabéculaire, le modèle ne prédit que des valeurs négatives de dispersion en accord qualitatif avec les résultats expérimentaux. Cependant, la comparaison des résultats présents avec ceux obtenus avec un modèle de diffusion multiple [Haiat et al., JASA 2008] indique que la prise en compte des phénomènes de diffusion multiple mène à une meilleure prédiction de la dispersion de vitesse dans l'os trabéculaire

Dispersion de vitesse dans l'os trabéculaire: influence de la diffusion indépendente et de l'absorption visqueuse

National audienceLes mesures de vitesse sont utilisées en clinique pour estimer la solidité osseuse. L'os trabéculaire est un matériau composite atténuant dans lequel des valeurs négatives de dispersion de vitesse ont été mesurées ; ce phénomène restant mal expliqué d'un point de vue physique. Le but de ce travail est de décrire la propagation ultrasonore dans l'os trabéculaire modélisé par des cylindres infinis immegrés dans une matrice saturante et d'estimer les déterminants physiques de la dispersion de vitesse. Un modèle d'homogénéisation original prenant en compte le couplage des phénomènes de diffusion indépendente et d'absorption viscoélastique permet le calcul de la vitesse de phase et de la dispersion en fonction des propriétés de l'os. La première étape du modèle consiste en un calcul du coefficient d'atténuation pour l'ensemble des fréquences. La deuxième étape du modèle correspond à l'application des relations générales de Kramers-Krönig afin de déterminer la dépendance fréquentielle de la dispersion de vitesse. Le modèle prédit des valeurs négatives de dispersion de vitesse en accord avec les résultats expérimentaux obtenus dans des phantomes d'os trabéculaire. Dans l'os trabéculaire, le modèle ne prédit que des valeurs négatives de dispersion en accord qualitatif avec les résultats expérimentaux. Cependant, la comparaison des résultats présents avec ceux obtenus avec un modèle de diffusion multiple [Haiat et al., JASA 2008] indique que la prise en compte des phénomènes de diffusion multiple mène à une meilleure prédiction de la dispersion de vitesse dans l'os trabéculaire

Remodelage osseux et stabilité d'implants

Du fait de l'augmentation de la durée de vie de la population et de la fréquence de certains types d'accidents, la problématique de l'évolution des articulations et du vieillissement osseux devient primordiale, ce qui implique de nombreuses opérations chirurgicales nécessitant une pose d'implant. Bien que ces interventions soient réalisées depuis longtemps de façon routinière, il subsiste des risques d'échec chirurgical pouvant avoir des conséquences dramatiques pour le patient. Malgré les évolutions apportées, le taux d'échec implantaire est encore important car les phénomènes mis en jeu restent mal compris du fait de leur complexité et de leur nature multi-échelle. Un des aspects essentiels de la réussite des ces opérations concerne l'ostéointégration de l'implant, c'est-à-dire la capacité de l'os à se régénérer autour de ce corps étranger en l'intégrant durablement. La réussite chirurgicale dépend en premier lieu des caractéristiques physiques de l'interface os-implant transmettant les efforts biomécaniques qui jouent un rôle majeur dans le remodelage osseux. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le cadre du développement d'une approche expérimentale multimodale pour la caractérisation de l'interface os-implant afin d'évaluer l'impact de la reconstruction osseuse sur la réponse mécanique de l'implant. La première partie met en œuvre une approche multiphysique utilisant un modèle animal dédié. Des pastilles en titane sont implantées in vivo sur la partie proximale du tibia du lapin pendant différents temps de cicatrisation. Une technique de nanoindentation permet de mesurer les propriétés mécaniques de l'os néoformé à l'échelle microscopique. La technique de diffusion micro-Brillouin permet de mesurer la vitesse ultrasonore de l'os néoformé à la même échelle. Les résultats obtenus à partir de ces deux techniques permettent de déterminer la différence de densité volumique entre l'os mature et l'os néoformé aux différents temps de cicatrisation considérés. Dans la seconde partie, un dispositif ultrasonore destiné à l'étude de la stabilité d'implants dentaires en titane est présenté. La réponse ultrasonore obtenue en mode échographique est sensible aux propriétés du matériau (os, biomatériau) au contact de l'implant. Premièrement, la réponse ultrasonore d'implants dentaires insérés dans un substitut dentaire bioactif (silicate tricalcique) et sollicités par un protocole de fatigue mécanique in vitro est mesurée. Pour cela, un banc de fatigue mécanique simulant la mastication a été développé. Deuxièmement, ce même dispositif ultrasonore est utilisé pour déterminer in vitro la stabilité primaire d'un implant dentaire placé dans un os bovin. Troisièmement, une étude in vivo utilisant un modèle animal (lapins) a permis de mettre en évidence l'effet du temps de cicatrisation sur la réponse ultrasonore de l'implant. Ce dispositif ultrasonore permet de quantifier la stabilité primaire et secondaire d'un implant dentaire. Les phénomènes de propagation ultrasonore dans l'implant sont modélisés en utilisant des techniques de simulations numériques par éléments finis. Les simulations montrent le potentiel de la technique pour suivre les variations de plusieurs paramètres déterminants pour l'ostéointégration de l'implant dans des conditions contrôléesDue to the increase of life duration and to the frequency of certain types of accidents, the problematic of the evolution of joints and aging bone has become crucial, leading to an important number of surgical interventions requiring implant placement. Although these interventions are carried out routinely in the clinic, there are still risks of surgical failure, which induce dramatic consequences for the patient. Despite the evolution of the surgical strategies, the implants failure rate remains important because the phenomena involved are not well understood due to their complexity and to their multi-scale nature. One of the main determinants of the success of these surgical interventions lies in the implant osseointegration, that is to say the ability of bone tissue to regenerate around the implant integrating the implant in a sustainable manner. The surgical success depends primarily on the physical characteristics of the bone-implant interface transmitting the biomechanical efforts, which play a major role in bone remodeling. The approach carried out in the present research consist in developing a multimodal experimental approach to characterize the biomechanical properties of the bone-implant interface in order to assess the impact of bone remodeling around the implant on the mechanical response of the implant. In the first part, a multiphysical approach is carried out using a dedicated animal model. Coin-shaped titanium implants are implanted in vivo on the proximal part of the tibia of rabbits during different periods of healing time. A nanoindentation device is used to measure the mechanical properties of the newly formed bone at the microscopic level. A micro-scattering Brillouin device is employed to estimate the ultrasonic velocity of newly formed bone at the same scale. The results obtained with both techniques are used to determine the difference of bone mass density difference between mature bone tissue and newly formed bone tissue for different healing times.In the second part, an ultrasonic device aims at investigating the stability of titanium dental implants. The ultrasonic response is measured in echographic mode and is shown to be sensitive to the properties of the material (bone, biomaterial) in contact with the implant. Firstly, the evolution of the in vitro ultrasonic response of dental implants inserted into a bioactive dental substitute (tricalcium silicate based cement) and loaded using a mechanical protocol stress is assessed. To do so, a mechanical fatigue bench simulating chewing motions was developed. Secondly, the same ultrasonic device is used to determine in vitro the primary stability of an implant placed into bovine bone tissue. Third, an in vivo study using an animal model (rabbit) investigates the effect of healing time on the ultrasonic response of the implant. The ultrasound device is used to quantify the primary and secondary dental implant stability. The phenomena of ultrasonic propagation in the implant are modeled using techniques of numerical simulations by finite elements. The simulations show the potential of the technique to monitor changes in several key parameters for osseointegration of the implant under controlled conditionsPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Méthodes ultrasonores et approches multi modalités pour la caractérisation biomécanique multi-échelle de l'interface os - implant

PARIS7-Bibliothèque centrale (751132105) / SudocSudocFranceF