Dependence of the primary stability of cementless acetabular cup implants on their biomechanical environment

International audienc

Phylogeography in an "oyster" shell provides first insights into the genetic structure of an extinct Ostrea edulis population

The historical phylogeography of Ostrea edulis was successfully depicted in its native range for the first time using ancient DNA methods on dry shells from museum collections. This research reconstructed the historical population structure of the European flat oyster across Europe in the 1870s-including the now extinct population in the Wadden Sea. In total, four haplogroups were identified with one haplogroup having a patchy distribution from the North Sea to the Atlantic coast of France. This irregular distribution could be the result of translocations. The other three haplogroups are restricted to narrow geographic ranges, which may indicate adaptation to local environmental conditions or geographical barriers to gene flow. The phylogenetic reconstruction of the four haplogroups suggests the signatures of glacial refugia and postglacial expansion. The comparison with present-day O. edulis populations revealed a temporally stable population genetic pattern over the past 150 years despite large-scale translocations. This historical phylogeographic reconstruction was able to discover an autochthonous population in the German and Danish Wadden Sea in the late nineteenth century, where O. edulis is extinct today. The genetic distinctiveness of a now-extinct population hints at a connection between the genetic background of O. edulis in the Wadden Sea and for its absence until today

Modélisation numérique du contact adhésif à l'interface os - implant

Cementless implants have become more and more common for joint replacement anddental surgery. Initial stability is obtained during the surgery through a press fit processin the host bone, while long-term stability is obtained by bone growing around and intothe porous surface of the implant, a process called osseointegration. As debonding ofthe bone-implant interface due to aseptic loosening and insufficient osseointegration stilloccur and may have dramatic consequences, predicting implant stability and failure isone of the major goals in modern implant research.This work presents different 3D FE modeling approaches to model contact and initialand long-term stability of cementless implants using the example of a cylindrical implantand an acetabular cup implant (ACI).First, an approach to assess the initial stability of an ACI considering a realisticgeometry of a patient's hip, based on Coulomb's friction contact and standard FE, ispresented. The influence of different patient and implant-specific parameters is analyzedin order to determine optimal stability for different configurations and thus obtain theoptimal combination of the implant's surface roughness and the press-fit, based on apatient's bone quality.Second, a phenomenological model for the frictional contact behavior of debondingosseointegrated implants is developed. The classical Coulomb's law is extended froma constant to a varying friction coefficient, that models the transition from an unbroken(osseointegrated) to a broken (debonded) state, based on a state variable depending on thedeformation of the bone-implant interface. Thus, this model can account for the highertangential forces observed in osseointegrated implants compared to unbonded implants. Inaddition, a NURBS-enrichment approach for 3D contact elements is used for an efficientmodeling of the geometries and their contact. This model is applied to the torsionaldebonding of CSI and the results are compared to experimental data and to a previousanalytical model.Third, the modified Coulomb's law model is extended in normal direction consideringa cohesive zone model, to account for debonding in normal direction and allow for adhesivefriction. This model is applied to simulate secondary stability and debonding ofan ACI in different removal tests, and to determine the relevance of osseointegration andbiomechanical factors for long-term stability. The results are compared with the purelytangential model to identify the relevance of normal adhesion in the debonding of ACI.Last, two simple evolution laws for osseointegration based on initial stability is presentedto account for realistic and time-dependent osseointegration.Due to their generality, all models presented herein can be applied to all kinds of endosseousimplants or imperfectly bonded interfaces in general. Furthermore, the modelscan be coupled with remodeling algorithms or realistic loading data, to make simulationsand prognoses for the whole life cycle of an implant from the surgery, through bone remodelingand osseointegration, to long-term stability under cyclic loading.Les implants osseux constituent actuellement l'approche thérapeutique la plus utilisée pour les réparer les articulations et les os endommagés. La stabilité initiale est obtenue pendant la chirurgie grâce à un processus d'ajustement serré dans l'os hôte, tandis que la stabilité à long terme est obtenue par la croissance osseuse autour et dans la surface poreuse de l'implant, un processus appelé ostéointégration. Comme le décollement de l'interface os-implant dû à un descellement aseptique et à une ostéointégration insuffisante se produit toujours et peut avoir des conséquences dramatiques, prédire la stabilité et l'échec de l'implant est l'un des objectifs majeurs de la recherche implantaire moderne. L'objectif de ce travail est de proposer plusieurs modélisations complémentaires ducontact adhésif à l'interface os-implant pendant et après la chirurgie. Premièrement, les déterminants biomécaniques de la stabilité primaire d'une cupule acétabulaire (ACI) sont présentés. Pour quantifier la stabilité primaire, l'insertion de l'ACI dans un hémi-bassin humain et le retrait ultérieur sont simulés. L'influence de différents paramètres spécifiques au patient et à l'implant sur la stabilité primaire est discutée. Sur la base de la rigidité osseuse d'un patient, des combinaisons optimales de l'ajustement serré et du coefficient de frottement peuvent être identifiées pour assurer unestabilité initiale optimale.Deuxièmement, un modèle phénoménologique du comportement de contact frictionneldes implants ostéointégrés décollés est développé. La loi de Coulomb classique est étendued'un coefficient de frottement constant à un coefficient de frottement variable, qui modélisela transition d'un état ininterrompu (ostéo-intégré) à un état cassé (délié), basé sur unevariable d'état dépendant de la déformation de l'interface os-implant. Ce modèle estappliqué au décollement en torsion des implants de forme cylindrique et les résultats sontcomparés aux données expérimentales et à un modèle analytique précédent.Troisièmement, le modèle de loi de Coulomb modifié est étendu dans la direction normaleen considérant un modèle de zone cohésive, pour tenir compte du décollement dansla direction normale et tenir compte du frottement adhésif. Ce modèle est appliqué poursimuler la stabilité secondaire et le décollement d'un ACI dans différents tests de retrait,et pour déterminer la pertinence de l'ostéointégration et des facteurs biomécaniques pourla stabilité à long terme.Enfin, deux lois d'évolution simples pour l'ostéointégration basée sur la stabilité initialesont présentées pour rendre compte d'une ostéointégration réaliste et dépendante dutemps.En raison de leur généralité, tous les modèles présentés dans ce travail peuvent être appliquésà toutes sortes d'implants osseux ou plus généralement d'interfaces imparfaitementcollées. De plus, les modèles peuvent être couplés à des algorithmes de remodelage ou àdes données de chargement réalistes, pour mener à bien des simulations et des pronosticspour tout le cycle de vie d'un implant depuis la chirurgie, en passant par le remodelageosseux et l'ostéointégration, jusqu'à la stabilité à long terme sous chargement cyclique

Modélisation numérique du contact adhésif à l'interface os - implant

Les implants osseux constituent actuellement l'approche thérapeutique la plus utilisée pour les réparer les articulations et les os endommagés. La stabilité initiale est obtenue pendant la chirurgie grâce à un processus d'ajustement serré dans l'os hôte, tandis que la stabilité à long terme est obtenue par la croissance osseuse autour et dans la surface poreuse de l'implant, un processus appelé ostéointégration. Comme le décollement de l'interface os-implant dû à un descellement aseptique et à une ostéointégration insuffisante se produit toujours et peut avoir des conséquences dramatiques, prédire la stabilité et l'échec de l'implant est l'un des objectifs majeurs de la recherche implantaire moderne. L'objectif de ce travail est de proposer plusieurs modélisations complémentaires ducontact adhésif à l'interface os-implant pendant et après la chirurgie. Premièrement, les déterminants biomécaniques de la stabilité primaire d'une cupule acétabulaire (ACI) sont présentés. Pour quantifier la stabilité primaire, l'insertion de l'ACI dans un hémi-bassin humain et le retrait ultérieur sont simulés. L'influence de différents paramètres spécifiques au patient et à l'implant sur la stabilité primaire est discutée. Sur la base de la rigidité osseuse d'un patient, des combinaisons optimales de l'ajustement serré et du coefficient de frottement peuvent être identifiées pour assurer unestabilité initiale optimale.Deuxièmement, un modèle phénoménologique du comportement de contact frictionneldes implants ostéointégrés décollés est développé. La loi de Coulomb classique est étendued'un coefficient de frottement constant à un coefficient de frottement variable, qui modélisela transition d'un état ininterrompu (ostéo-intégré) à un état cassé (délié), basé sur unevariable d'état dépendant de la déformation de l'interface os-implant. Ce modèle estappliqué au décollement en torsion des implants de forme cylindrique et les résultats sontcomparés aux données expérimentales et à un modèle analytique précédent.Troisièmement, le modèle de loi de Coulomb modifié est étendu dans la direction normaleen considérant un modèle de zone cohésive, pour tenir compte du décollement dansla direction normale et tenir compte du frottement adhésif. Ce modèle est appliqué poursimuler la stabilité secondaire et le décollement d'un ACI dans différents tests de retrait,et pour déterminer la pertinence de l'ostéointégration et des facteurs biomécaniques pourla stabilité à long terme.Enfin, deux lois d'évolution simples pour l'ostéointégration basée sur la stabilité initialesont présentées pour rendre compte d'une ostéointégration réaliste et dépendante dutemps.En raison de leur généralité, tous les modèles présentés dans ce travail peuvent être appliquésà toutes sortes d'implants osseux ou plus généralement d'interfaces imparfaitementcollées. De plus, les modèles peuvent être couplés à des algorithmes de remodelage ou àdes données de chargement réalistes, pour mener à bien des simulations et des pronosticspour tout le cycle de vie d'un implant depuis la chirurgie, en passant par le remodelageosseux et l'ostéointégration, jusqu'à la stabilité à long terme sous chargement cyclique.Cementless implants have become more and more common for joint replacement anddental surgery. Initial stability is obtained during the surgery through a press fit processin the host bone, while long-term stability is obtained by bone growing around and intothe porous surface of the implant, a process called osseointegration. As debonding ofthe bone-implant interface due to aseptic loosening and insufficient osseointegration stilloccur and may have dramatic consequences, predicting implant stability and failure isone of the major goals in modern implant research.This work presents different 3D FE modeling approaches to model contact and initialand long-term stability of cementless implants using the example of a cylindrical implantand an acetabular cup implant (ACI).First, an approach to assess the initial stability of an ACI considering a realisticgeometry of a patient's hip, based on Coulomb's friction contact and standard FE, ispresented. The influence of different patient and implant-specific parameters is analyzedin order to determine optimal stability for different configurations and thus obtain theoptimal combination of the implant's surface roughness and the press-fit, based on apatient's bone quality.Second, a phenomenological model for the frictional contact behavior of debondingosseointegrated implants is developed. The classical Coulomb's law is extended froma constant to a varying friction coefficient, that models the transition from an unbroken(osseointegrated) to a broken (debonded) state, based on a state variable depending on thedeformation of the bone-implant interface. Thus, this model can account for the highertangential forces observed in osseointegrated implants compared to unbonded implants. Inaddition, a NURBS-enrichment approach for 3D contact elements is used for an efficientmodeling of the geometries and their contact. This model is applied to the torsionaldebonding of CSI and the results are compared to experimental data and to a previousanalytical model.Third, the modified Coulomb's law model is extended in normal direction consideringa cohesive zone model, to account for debonding in normal direction and allow for adhesivefriction. This model is applied to simulate secondary stability and debonding ofan ACI in different removal tests, and to determine the relevance of osseointegration andbiomechanical factors for long-term stability. The results are compared with the purelytangential model to identify the relevance of normal adhesion in the debonding of ACI.Last, two simple evolution laws for osseointegration based on initial stability is presentedto account for realistic and time-dependent osseointegration.Due to their generality, all models presented herein can be applied to all kinds of endosseousimplants or imperfectly bonded interfaces in general. Furthermore, the modelscan be coupled with remodeling algorithms or realistic loading data, to make simulationsand prognoses for the whole life cycle of an implant from the surgery, through bone remodelingand osseointegration, to long-term stability under cyclic loading

Modélisation numérique du contact adhésif à l'interface os - implant

Cementless implants have become more and more common for joint replacement anddental surgery. Initial stability is obtained during the surgery through a press fit processin the host bone, while long-term stability is obtained by bone growing around and intothe porous surface of the implant, a process called osseointegration. As debonding ofthe bone-implant interface due to aseptic loosening and insufficient osseointegration stilloccur and may have dramatic consequences, predicting implant stability and failure isone of the major goals in modern implant research.This work presents different 3D FE modeling approaches to model contact and initialand long-term stability of cementless implants using the example of a cylindrical implantand an acetabular cup implant (ACI).First, an approach to assess the initial stability of an ACI considering a realisticgeometry of a patient's hip, based on Coulomb's friction contact and standard FE, ispresented. The influence of different patient and implant-specific parameters is analyzedin order to determine optimal stability for different configurations and thus obtain theoptimal combination of the implant's surface roughness and the press-fit, based on apatient's bone quality.Second, a phenomenological model for the frictional contact behavior of debondingosseointegrated implants is developed. The classical Coulomb's law is extended froma constant to a varying friction coefficient, that models the transition from an unbroken(osseointegrated) to a broken (debonded) state, based on a state variable depending on thedeformation of the bone-implant interface. Thus, this model can account for the highertangential forces observed in osseointegrated implants compared to unbonded implants. Inaddition, a NURBS-enrichment approach for 3D contact elements is used for an efficientmodeling of the geometries and their contact. This model is applied to the torsionaldebonding of CSI and the results are compared to experimental data and to a previousanalytical model.Third, the modified Coulomb's law model is extended in normal direction consideringa cohesive zone model, to account for debonding in normal direction and allow for adhesivefriction. This model is applied to simulate secondary stability and debonding ofan ACI in different removal tests, and to determine the relevance of osseointegration andbiomechanical factors for long-term stability. The results are compared with the purelytangential model to identify the relevance of normal adhesion in the debonding of ACI.Last, two simple evolution laws for osseointegration based on initial stability is presentedto account for realistic and time-dependent osseointegration.Due to their generality, all models presented herein can be applied to all kinds of endosseousimplants or imperfectly bonded interfaces in general. Furthermore, the modelscan be coupled with remodeling algorithms or realistic loading data, to make simulationsand prognoses for the whole life cycle of an implant from the surgery, through bone remodelingand osseointegration, to long-term stability under cyclic loading.Les implants osseux constituent actuellement l'approche thérapeutique la plus utilisée pour les réparer les articulations et les os endommagés. La stabilité initiale est obtenue pendant la chirurgie grâce à un processus d'ajustement serré dans l'os hôte, tandis que la stabilité à long terme est obtenue par la croissance osseuse autour et dans la surface poreuse de l'implant, un processus appelé ostéointégration. Comme le décollement de l'interface os-implant dû à un descellement aseptique et à une ostéointégration insuffisante se produit toujours et peut avoir des conséquences dramatiques, prédire la stabilité et l'échec de l'implant est l'un des objectifs majeurs de la recherche implantaire moderne. L'objectif de ce travail est de proposer plusieurs modélisations complémentaires ducontact adhésif à l'interface os-implant pendant et après la chirurgie. Premièrement, les déterminants biomécaniques de la stabilité primaire d'une cupule acétabulaire (ACI) sont présentés. Pour quantifier la stabilité primaire, l'insertion de l'ACI dans un hémi-bassin humain et le retrait ultérieur sont simulés. L'influence de différents paramètres spécifiques au patient et à l'implant sur la stabilité primaire est discutée. Sur la base de la rigidité osseuse d'un patient, des combinaisons optimales de l'ajustement serré et du coefficient de frottement peuvent être identifiées pour assurer unestabilité initiale optimale.Deuxièmement, un modèle phénoménologique du comportement de contact frictionneldes implants ostéointégrés décollés est développé. La loi de Coulomb classique est étendued'un coefficient de frottement constant à un coefficient de frottement variable, qui modélisela transition d'un état ininterrompu (ostéo-intégré) à un état cassé (délié), basé sur unevariable d'état dépendant de la déformation de l'interface os-implant. Ce modèle estappliqué au décollement en torsion des implants de forme cylindrique et les résultats sontcomparés aux données expérimentales et à un modèle analytique précédent.Troisièmement, le modèle de loi de Coulomb modifié est étendu dans la direction normaleen considérant un modèle de zone cohésive, pour tenir compte du décollement dansla direction normale et tenir compte du frottement adhésif. Ce modèle est appliqué poursimuler la stabilité secondaire et le décollement d'un ACI dans différents tests de retrait,et pour déterminer la pertinence de l'ostéointégration et des facteurs biomécaniques pourla stabilité à long terme.Enfin, deux lois d'évolution simples pour l'ostéointégration basée sur la stabilité initialesont présentées pour rendre compte d'une ostéointégration réaliste et dépendante dutemps.En raison de leur généralité, tous les modèles présentés dans ce travail peuvent être appliquésà toutes sortes d'implants osseux ou plus généralement d'interfaces imparfaitementcollées. De plus, les modèles peuvent être couplés à des algorithmes de remodelage ou àdes données de chargement réalistes, pour mener à bien des simulations et des pronosticspour tout le cycle de vie d'un implant depuis la chirurgie, en passant par le remodelageosseux et l'ostéointégration, jusqu'à la stabilité à long terme sous chargement cyclique

Wer die Qual hat, hat keinen Wal

Nimz K, Immel K, Koop KO. Wer die Qual hat, hat keinen Wal. Presented at the 12. Phonetik und Phonologie im deutschsprachigen Raum

Modeling the debonding process of osseointegrated implants due to coupled adhesion and friction

International audienceCementless implants have become widely used for total hip replacement surgery. The long-term stability of these implants is achieved by bone growing around and into the porous surface of the implant, a process called osseointegration. However, debonding of the bone-implant interface can still occur due to aseptic implant loosening and insufficient osseointegration, which may have dramatic consequences. The aim of this work is to describe a new 3D finite element frictional contact formulation for the debonding of partially osseointegrated implants. The contact model is based on a modified Coulomb's friction law (Immel et al, 2020) that takes into account the tangential debonding of the bone-implant interface. This model is extended in the direction normal to the bone-implant interface by considering a cohesive zone model, to account for adhesion phenomena in the normal direction and for adhesive friction of partially bonded interfaces. The model is applied to simulate the debonding of an acetabular cup implant. The influence of partial osseointegration and adhesive effects on the long-term stability of the implant is assessed. The influence of different patient-and implant-specific parameters such as the friction coefficient µ b , the trabecular Young's modulus E b and the interference fit IF is also analyzed, in order to determine the optimal stability for different configurations. Furthermore, this work provides guidelines for future experimental and computational studies, that are necessary for further parameter calibration

Long-term stability and debonding of cementless implants

International audienceThis work presents a three-dimensional FE frictional contact formulation with NURBS-enriched contact elements for the debonding of partially osseointegrated, cementless implants. The contact model is based on a modified Coulomb's friction law [1] that can model the tangential debonding of partially osseointegrated implants. Here, a smooth transition function between the two friction coefficients is used to model the decrease of friction due to debonding of the implant. The model is applied to simulate the debonding of a hip implant to determine the influence of partial osseointegration on the stability of the implant

Modeling the debonding process of osseointegrated implants due to coupled adhesion and friction

International audienceCementless implants have become widely used for total hip replacement surgery. The long-term stability of these implants is achieved by bone growing around and into the porous surface of the implant, a process called osseointegration. However, debonding of the bone-implant interface can still occur due to aseptic implant loosening and insufficient osseointegration, which may have dramatic consequences. The aim of this work is to describe a new 3D finite element frictional contact formulation for the debonding of partially osseointegrated implants. The contact model is based on a modified Coulomb's friction law (Immel et al, 2020) that takes into account the tangential debonding of the bone-implant interface. This model is extended in the direction normal to the bone-implant interface by considering a cohesive zone model, to account for adhesion phenomena in the normal direction and for adhesive friction of partially bonded interfaces. The model is applied to simulate the debonding of an acetabular cup implant. The influence of partial osseointegration and adhesive effects on the long-term stability of the implant is assessed. The influence of different patient-and implant-specific parameters such as the friction coefficient µ b , the trabecular Young's modulus E b and the interference fit IF is also analyzed, in order to determine the optimal stability for different configurations. Furthermore, this work provides guidelines for future experimental and computational studies, that are necessary for further parameter calibration