In vitro and in silico characterization of open-cell structures of trabecular bone

This work aimed to perform a detailed in vitro and in silico characterization of open-cell structures, which resemble trabecular bone, to elucidate osteoporosis failure mechanisms. Experimental and image-based computational methods were used to estimate Young's modulus and porosities of different open-cell structures (Sawbones; Malmö, Sweden). Three different open-cell structures with different porosities were characterized. Additionally, some open-cell structures were scanned using a microcomputed tomography system (µCT) to non-destructively predict specimen Young's modulus of the structures by developing voxel-based and tetrahedral finite element (FE) models. A 3D reconstruction and FE analyses were used. The experimental and computational results with different element types (linear and quadratic tetrahedrons and voxel-based meshes) were compared with Sawbones data (Sawbones; Malmö, Sweden) revealing important differences in Young's modulus and porosities. The specimens with high and low volume fractions were best represented by linear and quadratic tetrahedrons, respectively. These results could be used to develop new osteoporosis-prevention strategies

Biomechanical evaluation of syndesmotic fixation techniques via finite element analysis: Screw vs. suture button

Background and Objective: Tibiofibular syndesmotic injuries may cause degenerative changes, reduction in ankle function and compromising ankle stability. Different fixation techniques try to restore its functionality. Screw-fixation is the gold-standard. Recently, suture-button fixation has aroused the attention because it allows for physiologic micromotion while maintaining an accurate reduction. The aim of this study is to compare the biomechanical behaviour of both fixation techniques using the finite element method. Methods: A three-dimensional finite element model of the tibiofibular joint was reconstructed simulating the intact ankle and the injured syndesmosis. Then, different methods of syndesmosis fixation were analysed: screws (number of cortices, number of screws and distance between screws) and suture buttons (single, double parallel and double divergent with a sensitivity analysis on the pretension forces) configuration. Ligaments and cartilages were included and simulated as spring elements. Physiological loads during stance phase were simulated. Results: Syndesmosis widening and von Mises stresses were computed. Syndesmosis widening in the injured configuration compromised joint stability (2.06 mm), whereas using a single quadricortical screw (0.18 mm) stiffened the joint. Syndesmosis widening using suture-buttons were closer to syndesmosis widening of the intact ankle configuration (0.97 mm). Von Mises stresses were higher for the titanium screws than for the suture buttons. Conclusions: A detailed biomechanical comparison among different syndesmotic fixation was performed. Suture buttons have advantages with regard to syndesmosis widening in comparison to screw fixation. This fact supports the good long-term clinical results obtained with suture buttons fixation. The proposed methodology could be an efficient tool for preoperative planning

Estudio biomecánico del pinzamiento femoroacetabular: modelado paramétrico y con redes neuronales

El pinzamiento femoroacetabular (PFA) es una patología consecuencia de la alteración geométrica de la articulación de la cadera. En concreto en el presente trabajo se estudia el pinzamiento debido a la aparición de una giba ósea en el cuello femoral. El análisis que se realiza hoy en día es generalista y se basa en la medición de un ángulo de posición de la giba. Sin embargo, una especificación más exacta de la geometría de la giba es determinante para la detección precoz de la patología y de esta manera, evitar el desarrollo artrósico, así como mejorar las técnicas de tratamiento quirúrgico. El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) aborda el problema del diagnóstico del PFA, mediante un estudio de la relación de la patología con la geometría exacta de la giba y de la articulación; dicho estudio se realiza combinando el Método de los Elementos Finitos (MEF) y Redes Neuronales Artificiales (RNA). El objetivo perseguido en este TFG es doble: por un lado, busca establecer una relación del PFA con el Rango de Movimiento máximo (RM) de la articulación; por otra parte, para abordar de forma completa el PFA, el segundo objetivo consiste en la creación de una herramienta preclínica predictiva que prediga el diagnóstico de paciente sano o con PFA a partir de parámetros geométricos que caractericen de forma más precisa a la giba. Para la realización del análisis del RM se ha utilizado un modelo paramétrico 3D de elementos finitos de la articulación de la cadera, en el que se han parametrizado las variables geométricas a estudio y se han llevado a cabo simulaciones del movimiento utilizado en la clínica para la detección del PFA. Debido a la no linealidad del problema propuesto y a la cantidad de variables objeto de estudio, el análisis de los datos se ha implementado mediante RNA. Por un lado, la Red neuronal #1 aborda la predicción del RM. De este análisis se ha obtenido un error de 6.15º en el RM predicho. Por otro lado, para la consecución del segundo objetivo se dispone de 38 casos de pacientes reales para la creación de la herramienta preclínica predictiva del PFA. Este estudio se implementa a través de la Red neuronal #2 y mediante la reducción de la dimensión de variables de entrada con el método de descomposición en valores singulares. La introducción de mejoras en esta última red permite reducir el error hasta alcanzar una predicción correcta de diagnóstico ante nuevos pacientes clínicos en cinco de cada seis casos. El estudio ha permitido realizar un análisis profundo del PFA, así como alcanzar conclusiones relevantes sobre el mismo. Además, se ha desarrollado una herramienta para la predicción del PFA susceptible de mejora en un futuro pero que constituye un primer paso en la mejora de la detección de la patología

Estudio por el método de los elementos finitos y validación in-vitro de estructuras porosas de titanio fabricadas con EBM, orientadas a la regeneración de defectos óseos

En este TFM se han caracterizado mecánicamente varias estructuras porosas fabricadas por EBM, las cuales tienen distinto tipo de reticulación (cubica y giroide), porosidad y diámetro de barra, mediante ensayos de compresión. Se desarrolló un modelo de elementos finitos del cual se obtuvo el módulo elástico de la estructura, y finalmente se analizaron y discutieron las diferencias resultantes de los análisis numéricos y experimentales. Se observó que el aumento de la porosidad disminuye el valor del módulo de elasticidad así como la tensión de rotura

Multiscale modeling of bone tissue Mechanobiology

Mechanical environment has a crucial role in our organism at the different levels, ranging from cells to tissues and our own organs. This regulatory role is especially relevant for bones, given their importance as load-transmitting elements that allow the movement of our body as well as the protection of vital organs from load impacts. Therefore bone, as living tissue, is continuously adapting its properties, shape and repairing itself, being the mechanical loads one of the main regulatory stimuli that modulate this adaptive behavior. Here we review some key results of bone mechanobiology from computational models, describing the effect that changes associated to the mechanical environment induce in bone response, implant design and scaffold-driven bone regeneration

Can standard implants reproduce the native kinematics of a TKA patient?

Total knee arthroplasty (TKA) is a reliable surgical procedure, yet up to a fifth of primary implant patients remains unsatisfied. Musculoskeletal modeling (MSM) has the potential to explore the relationship between implant alignment and functional outcome [3]. Consequently, implant alignment can be quantitatively optimized to restore the preTKA joint behavior and, therefore, achieve the most favorable functional outcome for the specific patient. For this reason, we developed a method to optimize the implant alignment, with the aim of restoring the native kinematics and ligament elongations of the patient before undergoing TKA. Subject-specific optimization towards ligament elongations demonstrated to accurately emulate the pre-TKA ligament behavior, in contrast to the mechanically aligned approach. However, the values of the optimized implant positions resulting from the pre-TKA kinematic optimization were extreme in some cases. The presented modelling approach is a promising starting point for allowing surgeons to evaluate the patient-specific implant alignment and restore the patientspecific biomechanics

Mechano-driven regeneration predicts response variations in large animal model based on scaffold implantation site and individual mechano-sensitivity

It is well founded that the mechanical environment may regulate bone regeneration in orthopedic applications. The purpose of this study is to investigate the mechanical contributions of the scaffold and the host to bone regeneration, in terms of subject specificity, implantation site and sensitivity to the mechanical environment. Using a computational approach to model mechano-driven regeneration, bone ingrowth in porous titanium scaffolds was simulated in the distal femur and proximal tibia of three goats and compared to experimental results. The results showed that bone ingrowth shifted from a homogeneous distribution pattern, when scaffolds were in contact with trabecular bone (max local ingrowth 12.47%), to a localized bone ingrowth when scaffolds were implanted in a diaphyseal location (max local ingrowth 20.64%). The bone formation dynamics revealed an apposition rate of 0.37±0.28%/day in the first three weeks after implantation, followed by limited increase in bone ingrowth until the end of the experiment (12 weeks). According to in vivo data, we identified one animal whose sensitivity to mechanical stimulation was higher than the other two. Moreover, we found that the stimulus initiating bone formation was consistently higher in the femur than in the tibia for all the individuals. Overall, the dependence of the osteogenic response on the host biomechanics means that, from a mechanical perspective, the regenerative potential depends on both the scaffold and the host environment. Therefore, this work provides insights on how the mechanical conditions of both the recipient and the scaffold contribute to meet patient and location-specific characteristics

Bone tissue engineering: personalized in vitro bone models and scaffold strategies

Las patologías derivadas de la alteración de regeneración y remodelación ósea son un gran problema debido al incesante aumento de la esperanza de vida de la población. A su vez, hay un crecimiento en el interés científico en mejorar las terapias que se ofrecen frente a dicho problema. La "customización" de las terapias son el principal objetivo de la ingeniería de tejidos y medicina regenerativa, de manera que se permita el diseño de implantes y tratamientos dirigidos a un paciente específico. A nivel de investigación, la especificidad de los experimentos también está cobrando importancia de cara a mejorar ensayos posteriores, como reducir experimentación animal y optimizar etapas iniciales de ensayos clínicos. Esta tesis, tiene como objetivo general el desarrollo de sistemas que permitan esta experimentación "a medida'' dentro del campo de la ingeniería del tejido óseo. Se han creado unos modelos de tejido óseo in vitro a partir de células humanas y se ha estudiado su diferenciación osteogénica. En primer lugar, se estudió la diferenciación con células de hueso inmaduras. Posteriormente, se han investigado células madre mesenquimales como fuente alternativa para el modelo. Este modelo puede aportar a la investigación una herramienta para testar cómo afectan diferentes estímulos a un proceso fisiológico de un paciente específico. Por otro lado, se han caracterizado hidrogeles de colágeno. Se ha estudiado cómo la adición de nanosilicatos a dichos geles permite modificar sus propiedades mecánicas, reológicas y estructurales, con el objetivo de poder replicar mejor diferentes matrices extracelulares in vivo adaptando sus propiedades "a medida''. Por último, se ha monitorizado la degradación de andamiajes poliméricos en un biorreactor de perfusión que ha sido diseñado en el grupo de investigación.Los puntos en común que tienen las diferentes tareas desarrolladas a lo largo de esta tesis doctoral son la miniaturización de procesos fisiológicos, como la diferenciación osteogénica; y la personalización de ciertas estrategias de investigación \textit{in vitro}, como las propiedades físicas de hidrogeles o la degradación hidrolítica de andamiajes poliméricos. Se han utilizado diferentes procedimientos ampliamente usados en la ingeniería de tejido óseo, como la microfluídica, la impresión 3D de implantes y el uso de biorreactores. Los resultados de esta tesis han contribuido a la continua innovación de la investigación personalizada. <br /

Diseño de nuevas guías quirúrgicas osteosoportadas para osteotomías mandibulares usando realidad aumentada

Diseño CAD de una nueva tipología de guías quirúrgicas osteosoportadas para osteotomías mandibulares. Se persigue un diseño que sea universal para todo tipo de geometrías, y que dichas guías puedan ser ajustadas in-situ a la posición deseada por los cirujanos. Al mismo tiempo, la guía quirúrgica diseñada permitirá trasladar la planificación quirúrgica como si de una guía de tipo paciente-específico se tratara. Esto se logra con el uso de la realidad aumentada (AR).Principalmente, los diseños se trabajan en Solidworks, con la ayuda del software 3-matic, especialmente indicado para geometrías libres como la anatomía mandibular. Por otro lado, se desarrolla una app con tecnología de realidad aumentada en el entorno del software Unity, para representar los planos de corte mandibulares virtualmente sobre la propia anatomía real, que sirve como patrón de reconocimiento de la realidad aumentada.Por último, se fabrica un prototipo con impresión SLS y se ensaya tanto su funcionalidad como el correcto uso de la app de realidad aumentada.<br /

Automated muscle elongation measurement during reverse shoulder arthroplasty planning

Background: Adequate deltoid and rotator cuff elongation in reverse shoulder arthroplasty is crucial to maximize postoperative func- tional outcomes and to avoid complications. Measurements of deltoid and rotator cuff elongation during preoperative planning can sup- port surgeons in selecting a suitable implant design and position. Therefore, this study presented and evaluated a fully automated method for measuring deltoid and rotator cuff elongation. Methods: Complete scapular and humeral models were extracted from computed tomography scans of 40 subjects. First, a statistical shape model of the complete humerus was created and evaluated to identify the muscle attachment points. Next, a muscle wrapping algorithm was developed to identify the muscle paths and to compute muscle lengths and elongations after reverse shoulder arthroplasty implantation. The accuracy of the muscle attachment points and the muscle elongation measurements was evaluated for the 40 subjects by use of both complete and artificially created partial humeral models. Additionally, the muscle elongation measurements were evaluated for a set of 50 arthritic shoul- der joints. Finally, a sensitivity analysis was performed to evaluate the impact of implant positioning on deltoid and rotator cuff elongation. Results: Forthecompletehumeralmodels,allmuscleattachmentpointswereidentifiedwithamedianerror<3.5mm.Forthepartialhumeral models, the errors on the deltoid attachment point largely increased. Furthermore, all muscle elongation measurements showed an error < 1 mm for 75% of the subjects for both the complete and partial humeral models. For the arthritic shoulder joints, the errors on the muscle elongation mea- surements were <2 mm for 75% of the subjects. Finally, the sensitivity analysis showed that muscle elongations were affected by implant positioning. Discussion: This study presents an automated method for accurately measuring muscle elongations during preoperative planning of shoulder arthroplasty. The results show that the accuracy in measuring muscle elongations is higher than the accuracy in indicating the muscle attachment points. Hence, muscle elongation measurements are insensitive to the observed errors on the muscle attachment points. Related to this finding, muscle elongations can be accurately measured for both a complete humeral model and a partial humeral model. Because the presented method also showed accurate results for arthritic shoulder joints, it can be used during preoperative shoulder arthroplasty planning, in which typically only the proximal humerus is present in the scan and in which bone arthropathy can be present. As the muscle elongations are sensitive to implant positioning, surgeons can use the muscle elongation measurements to refine their surgical plan