Analysis of the porous bone-implant fixation – experimental verification of numerical model

In this paper a new type of endoprothesis THRA with needle-palisade fixation system has been described. A numerical model of such fixation has been created. The developed model was subjected to experimental verification. During the test, the prototype of the needle palisade structure was inserted into the cancellous bone. The test results were compared with numerical simulation

Podłużne harmoniczne fale sprężysto-elektryczne w porowatych kościach długich wypełnionych płynem fizjologicznym

Transmission of elasto-electric longitudinal harmonic waves in porous long bones filled with physiological fluid is investigated. The complete set of equations of the problem is obtained on the basic of the Biot theory of elastic waves in fluid-saturated porous media and the linear equations of electrokinetics, by means of quantities analogous to those in the theory of electrical transmission lines. Experimental findings from the biomechanical literature, supporting applicability of the proposed description, are presented. The electric signal associated with the propagation of longitudinal elastic waves in a wet long bone shaft can potientially be used for monitoring these waves during their application in e.g. bone porosity measurements.Przedmiotem pracy jest zagadnienie transmisji sprężysto-elektrycznych podłużnych fal harmonicznych w porowatych kościach długich wypełnionych płynem fizjologicznym. Zbiorczy układ równań zagadnienia wyprowadzono na podstawie Biotowskiej teorii propagacji fal sprężystych w ośrodkach porowatych nasyconych cieczą oraz liniowych liniowych równań elektrokinetyki, stosując opis za pomocą wielkości analogicznych do stosowanych w teorii elektrycznych linii przesyłowych. Uzasadniono przydatność zaproponowanego modelu teoretycznego przywołując z literatury wyniki badań eksperymentalnych dotyczące bioelektromechaniki kości. Sygnał elektryczny towarzyszący propagacji podłużnych fal sprężystych w trzonie kości długiej nasyconej płynem fizjologicznym mógłby, przypuszczalnie, zostać użyty celem monitorowania tych fal w zastosowaniu ich np. do pomiaru porowatości kości

Advances in Biomimetic Scaffolds for Hard Tissue Surgery

Hard tissues are living mineralized tissues that possess a high degree of hardness and are found in organs such as bones and teeth (enamel, dentin, and cementum) [...

Preliminary study of structural-electrical properties in the low frequency range of experimental biomaterial models of long bones in a pathological state

Przedstawiono wyniki doświadczalnych badań porównawczych dotyczących metod wytworzenia biomateriałowego modelu kości długich w stanie patologicznym, tj. nie w pełni zmineralizowanych (stan osteomalacji) oraz o obniżonym kościotworzeniu (stan osteoporotyczny), otrzymanego na bazie wołowych kości udowych, z wykorzystaniem stosowanych w inżynierii biomateriałów metod częściowego odbiałczania i częściowego odwapniania. Ten biomateriałowi model kości długich jest niezbędny do prowadzenia doświadczalnych badań właściwości strukturalno--elektrycznych kości długich w celu zbudowania prototypowego systemu pomiarowo-obliczeniowego do wyznaczania gęstości i parametrów porosprężystych kości długich prawidłowych i osteoporotycznych oryginalną nieinwazyjną metodą elektroosteodensytometrii (zgłoszenie patentowe krajowe i międzynarodowe). Proces odbiałczania prowadzono porównawczo z użyciem roztworów NaOCl, H2O2, KOH i NaOH, natomiast proces odwapniania próbek kości wołowych prowadzono porównawczo z użyciem roztworów HNO3, HCl i EDTA oraz w mieszaninie roztworów HNO3 i HCHO. Zbadano kinetykę przeprowadzonych procesów, monitorując stężenia białka oraz wapnia w zastosowanych roztworach w funkcji czasu. Na podstawie zbadanych przebiegów procesów możemy obecnie zarekomendować do wytworzenia biomateriałowych modeli doświadczalnych kości długich w stanie patologicznym: o obniżonym kościotworzeniu – odbiałczanie z użyciem 7% roztworu nadtlenku wodoru (H2O2), a dla nie w pełni zmineralizowanych – odwapnianie z użyciem 0,5 M roztworu kwasu solnego (HCl). Przedstawiono pilotażowe wyniki doświadczalnej analizy właściwości strukturalno-elektrycznych biomateriałowego modelu kości długiej w stanie obniżonego kościotworzenia (badano trzy częściowo odbiałczone kości udowe wołowe) z wypełnieniem porów modelu wieloelektrolitowym płynem fizjologicznym Ringera, w zakresie niskich częstotliwości (od 20 Hz do 10 kHz) i w zależności od lokalizacji badanej próbki wzdłuż trzonu kości długiej. Stwierdzono, że: 1) wartości modułu impedancji elektrycznej jednostkowej |Z1| [Ω/cm] trzonu modelowej kości długiej osteoporotycznej maleją bardzo wyraźnie w funkcji częstotliwości w zakresie od 20 Hz do 500 Hz; od częstotliwości 500 Hz do 2 kHz zmiany wartości |Z1| są niewielkie, a powyżej częstotliwości 2 kHz wartość modułu impedancji jednostkowej |Z1| praktycznie nie zależy od zmian częstotliwości; 2) średnia wartość modułu impedancji elektrycznej jednostkowej |Z1| trzonu modelowej kości długiej osteoporotycznej okazała się względnie stała wzdłuż długości trzonu kości i wynosiła ok. 670 Ω/cm dla częstotliwości 100 Hz oraz ok. 630 Ω/cm dla częstotliwości 10 kHz. Otrzymane pilotażowe wyniki pomiarów parametrów elektrycznych określających właściwości strukturalno-elektryczne kości długich osteoporotycznych wymagają potwierdzenia na większej liczbie próbek trzonowo-kostnych częściowo odbiałczanych; planujemy też poszerzenie analizy doświadczalnej właściwości strukturalno--elektrycznych kości długich o obniżonej mineralizacji (częściowo odwapnionych).We present the results of a comparative experimental study on methods considered for the manufacture of a biomaterial model of long bones in a pathological state, i.e. insufficiently mineralized bone (osteomalacia) and reduced osteogenesis (osteoporosis), obtained from bovine femoral bone, using methods applied in the engineering of biomaterials such as partial deproteinization and partial demineralization. The biomaterial model is required for experimental research into the structural-electrical properties of long bones, which will be carried out to build a prototype for a measurement system for the evaluation of bone densitometry and poroelastic properties with the use of an original and non-invasive method of electroosseodensitometry (Polish and international patent applications). The kinetics of chemical bone deproteinization processes in NaOCl, H2O2, KOH and NaOH solutions and chemical bone demineralization processes in HNO3, HCl, EDTA solutions and in a mixture of HNO3 and HCHO were comparatively studied and the protein and calcium contents were monitored as a function of time. On the basis of the functional graphs obtained from the observed processes, we can currently recommend the following conditions for manufacturing a biomaterial model of long bones in a pathological state: deproteinization using a 7% solution of hydrogen peroxide (H2O2) to produce a model of bone in a state of reduced osteogenesis and decalcification with 0.5 M hydrochloric acid (HCl) to produce a model of insufficiently mineralized bone. The results of a pilot experimental analysis of the structural-electrical properties of the biomaterial model of long bones are presented for a state of reduced bone formation (osteoporotic; three partially deproteinized bovine femurs were examined). The bone pores of the model were filled with physiological multielectrolyte Ringer’s saline and assessed in a low frequency range (20 Hz to 10 kHz) as a function of the location of bone shaft samples along the diaphysis. It was found that: 1) values of the modulus of the unit electrical impedance |Z1| [Ω/cm] of the bone shaft of the model osteoporotic long bone decreased very clearly as a function of frequency in the range from 20 Hz to ca. 500 kHz; from a frequency of 500 Hz to 2 kHz, the changes in the |Z1| value were small, and above 2 kHz, the |Z1| value practically did not depend on frequency changes. 2) The mean value of the modulus of the unit electrical impedance |Z1| of the bone shaft of the model osteoporotic long bone was found to be relatively constant along the length of the bone shaft and was about 670 Ω/cm for a frequency of 100 Hz and about 630 Ω/cm for a frequency of 10 kHz. The results of the preliminary study on the structural-electrical properties of long bone shafts in a pathological (osteoporotic) state require confirmation in a full experimental study on a larger number of model osteoporotic long bones; we are also planning to extend the experimental analysis to the structural-electrical properties of long bones with impaired mineralization (partially decalcified)

Computer Aided Stereometric Evaluation of Porostructuralosteoconductive Properties of Intra-Osseous Implant Porous Coatings

The proper interaction of bone tissue - the natural porous biomaterial - with a porous coated intra-osseous implant is conditioned, among others, by the implant porous coating poroaccessibility for bone tissue adaptive ingrowth. The poroaccessibility is the ability of implant porous coating outer layer to accommodate the ingrowing bone tissue filling in its pore space and effective new formed bone mineralizing in the pores to form a biomechanically functional bone-implant fixation. The functional features of the microtopography of intra-osseous implant porous surfaces together with the porosity of pore space of the outer layer of the porous coating are called by bioengineers the porostructural-osteoconductive properties of the porous coated implant. The properties are crucial for successful adaptive bone tissue ingrowth and further long-term (secondary) biomechanical stability of the boneimplant interface. The poroaccessibility of intra-osseous implants porous coating outer layers is characterized by - the introduced in our previous papers - set of stereometric parameters of poroaccessibility: the effective volumetric porosity φVef, the index of the porous coating space capacity VPM, the representative surface porosity φSrep, the representative pore size pSrep, the representative angle of the poroaccessibility Ωrep and the bone-implant interface adhesive surface enlargement index ψ. Presented in this paper, an original method of evaluation of the porostructural-osteoconductive properties of intra-osseous implant porous coatings outer layer by means of the parameters of poroaccessibility was preliminary verified during experimental tests performed on the representative examples of porous coated femoral stems and acetabular cups of various hip endoprostheses. The computer-aided stereometric evaluation of the microstructure of implant porous coatings outer layer can be now realized by the authoring application software PoroAccess_1.0 elaborated in our research team in Java programming language