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

Caractérisation biomécanique de l'interface os-implant.

Les interventions chirurgicales impliquant des implants orthopédiques ou dentaires échouent encore souvent pour des raisons liées à un manque de stabilité. Pendant la phase de cicatrisation suivant la chirurgie, du tissu osseux se forme et se remodèle directement à la surface de l'implant grâce au processus d'ostéointégration créant l'interface os-implant. La quantité et les propriétés biomécaniques de l'os néoformé entourant l'implant déterminent sa stabilité à long terme et donc le succès de la chirurgie. Afin d'appréhender la complexité de l'interface organisée hiérarchiquement de l'échelle nano- à macroscopique avec des propriétés évolutives témoignant de son caractère vivant, ce travail de thèse a mis en place une approche expérimentale multi-échelle, multi-modale et multi-physique. Un modèle d'implant in vivo avec une chambre osseuse distinguant clairement l'os néoformé de l'os cortical mature préexistant a été utilisé pour se placer dans des conditions standardisées et contrôlées.Dans une première étude portant sur la quantité d'os à l'interface, le contact os-implant augmente avec le temps de cicatrisation et la rugosité de surface de l'implant, comme en témoignent les mesures par histologie et ultrasons quantitatifs à l'échelle micro- et macroscopique. Cette évolution a aussi été validée avec un modèle numérique aux éléments finis simulant la surface microscopique de l'implant par un profil sinusoïdal.L'augmentation observée de la quantité d'os à l'interface os-implant pendant la cicatrisation s'accompagne de différences de composition et structure osseuses. Dans une seconde étude, des mesures par spectroscopie Raman ont mis en évidence des cristaux d'apatite de la phase minérale plus petits et des composants moins minéralisés dans l'os néoformé comparé à l'os mature, avec moins de liaisons entre les molécules de collagène de la phase organique et un taux de remodelage plus élevé. Grâce à une analyse conjointe avec des mesures de nanoindentation, ces différences de composition et structure nanoscopiques de l'os périprothétique ont été reliées à de faibles modules élastiques microscopiques.Puisque les propriétés élastiques augmentent avec la minéralisation et l'âge du tissu, afin d'étudier plus précisément la cinématique de la croissance osseuse à l'interface os-implant, une troisième étude s'est penchée sur l'évolution spatio-temporelle des propriétés élastiques microscopiques au sein de la chambre osseuse en combinant nanoindentation et diffusion micro-Brillouin. Les résultats suggèrent que l'os commence à se former dans les régions de la chambre osseuse où les contraintes mécaniques sont susceptibles d'être les plus élevées, avant de se développer le long de la surface de l'implant et en direction de l'os mature. Ce profil de propagation osseuse, en accord avec les mesures histologiques du contenu de la chambre osseuse, est cohérent avec le phénomène d'ostéogenèse de contact.Ces analyses multi-physiques combinées sur les mêmes échantillons démontrent que toutes les propriétés caractérisant la quantité et la qualité osseuse sont interdépendantes à travers les différentes échelles de l'os. De tels travaux de recherche, étudiant l'évolution simultanée des propriétés de l'os périprothétique, sont essentiels pour mieux comprendre le phénomène d'ostéointégration et la stabilité implantaire. Ces études pourraient aider à l'amélioration du succès chirurgical à long terme suite à la pose d'implants.Implant failures still often occur in orthopaedic and dental surgeries and are related to a lack of biomechanical stability. During the healing period following surgery, bone tissue forms and remodels in direct contact with the implant surface, creating a bone-implant interface (BII) thanks to the osseointegration process. The amount and properties of bone tissue surrounding the implant determine the long-term implant stability and thus its surgical success. To tackle the complexity of this BII hierarchically organised from the nano- to the macroscale and its living nature inducing evolving properties, this PhD work has implemented a multi-scale, multi-modal and multi-physics experimental approach. To work in standardised and controlled conditions, an in vivo coin-shaped implant model was used, including a bone chamber to clearly distinguish between newly formed bone and pre-existing mature cortical bone.Focusing first on the amount of bone at the BII, the bone-implant contact increases with healing time and implant surface roughness at the micro- and macroscale, as measured by histological and quantitative ultrasound analyses and validated by a finite element numerical model simulating the microscopic implant surface with a sinusoidal profile.The observed increase in bone quantity at the BII during healing comes along with differences in bone composition and structure. Raman spectroscopy has evidenced smaller apatite crystals and less mineralised content in newly formed bone compared to mature bone, with fewer crosslinks within the organic collagen phase and higher remodelling rate. The different nanoscopic composition and structure of periprosthetic bone induce lower microscopic elastic moduli, measured in site-matched locations with nanoindentation.As elastic properties increase with mineralisation and tissue ageing, the spatio-temporal evolution of microscopic elastic properties within the bone chamber has also been evaluated with nanoindentation and micro-Brillouin scattering to investigate the kinematics of bone growth at the BII. Results suggest that bone starts to form in bone chamber’s specific regions, where stresses are likely to be the highest, before spreading along the implant surface and towards mature bone. Such bone spreading path, in agreement with the bone chamber content measured by histology, is consistent with contact osteogenesis phenomena.The multi-physics analyses performed at site-matched locations have proven that all properties defining bone quantity and quality are interdependent across bone scales. Such research studies are essential to better understand osseointegration phenomena and implant stability, by investigating how periprosthetic bone properties evolve simultaneously. The present studies are likely to provide support to improve long-term surgical success of clinical implants

Caractérisation biomécanique de l'interface os-implant.

Implant failures still often occur in orthopaedic and dental surgeries and are related to a lack of biomechanical stability. During the healing period following surgery, bone tissue forms and remodels in direct contact with the implant surface, creating a bone-implant interface (BII) thanks to the osseointegration process. The amount and properties of bone tissue surrounding the implant determine the long-term implant stability and thus its surgical success. To tackle the complexity of this BII hierarchically organised from the nano- to the macroscale and its living nature inducing evolving properties, this PhD work has implemented a multi-scale, multi-modal and multi-physics experimental approach. To work in standardised and controlled conditions, an in vivo coin-shaped implant model was used, including a bone chamber to clearly distinguish between newly formed bone and pre-existing mature cortical bone.Focusing first on the amount of bone at the BII, the bone-implant contact increases with healing time and implant surface roughness at the micro- and macroscale, as measured by histological and quantitative ultrasound analyses and validated by a finite element numerical model simulating the microscopic implant surface with a sinusoidal profile.The observed increase in bone quantity at the BII during healing comes along with differences in bone composition and structure. Raman spectroscopy has evidenced smaller apatite crystals and less mineralised content in newly formed bone compared to mature bone, with fewer crosslinks within the organic collagen phase and higher remodelling rate. The different nanoscopic composition and structure of periprosthetic bone induce lower microscopic elastic moduli, measured in site-matched locations with nanoindentation.As elastic properties increase with mineralisation and tissue ageing, the spatio-temporal evolution of microscopic elastic properties within the bone chamber has also been evaluated with nanoindentation and micro-Brillouin scattering to investigate the kinematics of bone growth at the BII. Results suggest that bone starts to form in bone chamber’s specific regions, where stresses are likely to be the highest, before spreading along the implant surface and towards mature bone. Such bone spreading path, in agreement with the bone chamber content measured by histology, is consistent with contact osteogenesis phenomena.The multi-physics analyses performed at site-matched locations have proven that all properties defining bone quantity and quality are interdependent across bone scales. Such research studies are essential to better understand osseointegration phenomena and implant stability, by investigating how periprosthetic bone properties evolve simultaneously. The present studies are likely to provide support to improve long-term surgical success of clinical implants.Les interventions chirurgicales impliquant des implants orthopédiques ou dentaires échouent encore souvent pour des raisons liées à un manque de stabilité. Pendant la phase de cicatrisation suivant la chirurgie, du tissu osseux se forme et se remodèle directement à la surface de l'implant grâce au processus d'ostéointégration créant l'interface os-implant. La quantité et les propriétés biomécaniques de l'os néoformé entourant l'implant déterminent sa stabilité à long terme et donc le succès de la chirurgie. Afin d'appréhender la complexité de l'interface organisée hiérarchiquement de l'échelle nano- à macroscopique avec des propriétés évolutives témoignant de son caractère vivant, ce travail de thèse a mis en place une approche expérimentale multi-échelle, multi-modale et multi-physique. Un modèle d'implant in vivo avec une chambre osseuse distinguant clairement l'os néoformé de l'os cortical mature préexistant a été utilisé pour se placer dans des conditions standardisées et contrôlées.Dans une première étude portant sur la quantité d'os à l'interface, le contact os-implant augmente avec le temps de cicatrisation et la rugosité de surface de l'implant, comme en témoignent les mesures par histologie et ultrasons quantitatifs à l'échelle micro- et macroscopique. Cette évolution a aussi été validée avec un modèle numérique aux éléments finis simulant la surface microscopique de l'implant par un profil sinusoïdal.L'augmentation observée de la quantité d'os à l'interface os-implant pendant la cicatrisation s'accompagne de différences de composition et structure osseuses. Dans une seconde étude, des mesures par spectroscopie Raman ont mis en évidence des cristaux d'apatite de la phase minérale plus petits et des composants moins minéralisés dans l'os néoformé comparé à l'os mature, avec moins de liaisons entre les molécules de collagène de la phase organique et un taux de remodelage plus élevé. Grâce à une analyse conjointe avec des mesures de nanoindentation, ces différences de composition et structure nanoscopiques de l'os périprothétique ont été reliées à de faibles modules élastiques microscopiques.Puisque les propriétés élastiques augmentent avec la minéralisation et l'âge du tissu, afin d'étudier plus précisément la cinématique de la croissance osseuse à l'interface os-implant, une troisième étude s'est penchée sur l'évolution spatio-temporelle des propriétés élastiques microscopiques au sein de la chambre osseuse en combinant nanoindentation et diffusion micro-Brillouin. Les résultats suggèrent que l'os commence à se former dans les régions de la chambre osseuse où les contraintes mécaniques sont susceptibles d'être les plus élevées, avant de se développer le long de la surface de l'implant et en direction de l'os mature. Ce profil de propagation osseuse, en accord avec les mesures histologiques du contenu de la chambre osseuse, est cohérent avec le phénomène d'ostéogenèse de contact.Ces analyses multi-physiques combinées sur les mêmes échantillons démontrent que toutes les propriétés caractérisant la quantité et la qualité osseuse sont interdépendantes à travers les différentes échelles de l'os. De tels travaux de recherche, étudiant l'évolution simultanée des propriétés de l'os périprothétique, sont essentiels pour mieux comprendre le phénomène d'ostéointégration et la stabilité implantaire. Ces études pourraient aider à l'amélioration du succès chirurgical à long terme suite à la pose d'implants

Caractérisation biomécanique de l'interface os-implant.

Implant failures still often occur in orthopaedic and dental surgeries and are related to a lack of biomechanical stability. During the healing period following surgery, bone tissue forms and remodels in direct contact with the implant surface, creating a bone-implant interface (BII) thanks to the osseointegration process. The amount and properties of bone tissue surrounding the implant determine the long-term implant stability and thus its surgical success. To tackle the complexity of this BII hierarchically organised from the nano- to the macroscale and its living nature inducing evolving properties, this PhD work has implemented a multi-scale, multi-modal and multi-physics experimental approach. To work in standardised and controlled conditions, an in vivo coin-shaped implant model was used, including a bone chamber to clearly distinguish between newly formed bone and pre-existing mature cortical bone.Focusing first on the amount of bone at the BII, the bone-implant contact increases with healing time and implant surface roughness at the micro- and macroscale, as measured by histological and quantitative ultrasound analyses and validated by a finite element numerical model simulating the microscopic implant surface with a sinusoidal profile.The observed increase in bone quantity at the BII during healing comes along with differences in bone composition and structure. Raman spectroscopy has evidenced smaller apatite crystals and less mineralised content in newly formed bone compared to mature bone, with fewer crosslinks within the organic collagen phase and higher remodelling rate. The different nanoscopic composition and structure of periprosthetic bone induce lower microscopic elastic moduli, measured in site-matched locations with nanoindentation.As elastic properties increase with mineralisation and tissue ageing, the spatio-temporal evolution of microscopic elastic properties within the bone chamber has also been evaluated with nanoindentation and micro-Brillouin scattering to investigate the kinematics of bone growth at the BII. Results suggest that bone starts to form in bone chamber’s specific regions, where stresses are likely to be the highest, before spreading along the implant surface and towards mature bone. Such bone spreading path, in agreement with the bone chamber content measured by histology, is consistent with contact osteogenesis phenomena.The multi-physics analyses performed at site-matched locations have proven that all properties defining bone quantity and quality are interdependent across bone scales. Such research studies are essential to better understand osseointegration phenomena and implant stability, by investigating how periprosthetic bone properties evolve simultaneously. The present studies are likely to provide support to improve long-term surgical success of clinical implants.Les interventions chirurgicales impliquant des implants orthopédiques ou dentaires échouent encore souvent pour des raisons liées à un manque de stabilité. Pendant la phase de cicatrisation suivant la chirurgie, du tissu osseux se forme et se remodèle directement à la surface de l'implant grâce au processus d'ostéointégration créant l'interface os-implant. La quantité et les propriétés biomécaniques de l'os néoformé entourant l'implant déterminent sa stabilité à long terme et donc le succès de la chirurgie. Afin d'appréhender la complexité de l'interface organisée hiérarchiquement de l'échelle nano- à macroscopique avec des propriétés évolutives témoignant de son caractère vivant, ce travail de thèse a mis en place une approche expérimentale multi-échelle, multi-modale et multi-physique. Un modèle d'implant in vivo avec une chambre osseuse distinguant clairement l'os néoformé de l'os cortical mature préexistant a été utilisé pour se placer dans des conditions standardisées et contrôlées.Dans une première étude portant sur la quantité d'os à l'interface, le contact os-implant augmente avec le temps de cicatrisation et la rugosité de surface de l'implant, comme en témoignent les mesures par histologie et ultrasons quantitatifs à l'échelle micro- et macroscopique. Cette évolution a aussi été validée avec un modèle numérique aux éléments finis simulant la surface microscopique de l'implant par un profil sinusoïdal.L'augmentation observée de la quantité d'os à l'interface os-implant pendant la cicatrisation s'accompagne de différences de composition et structure osseuses. Dans une seconde étude, des mesures par spectroscopie Raman ont mis en évidence des cristaux d'apatite de la phase minérale plus petits et des composants moins minéralisés dans l'os néoformé comparé à l'os mature, avec moins de liaisons entre les molécules de collagène de la phase organique et un taux de remodelage plus élevé. Grâce à une analyse conjointe avec des mesures de nanoindentation, ces différences de composition et structure nanoscopiques de l'os périprothétique ont été reliées à de faibles modules élastiques microscopiques.Puisque les propriétés élastiques augmentent avec la minéralisation et l'âge du tissu, afin d'étudier plus précisément la cinématique de la croissance osseuse à l'interface os-implant, une troisième étude s'est penchée sur l'évolution spatio-temporelle des propriétés élastiques microscopiques au sein de la chambre osseuse en combinant nanoindentation et diffusion micro-Brillouin. Les résultats suggèrent que l'os commence à se former dans les régions de la chambre osseuse où les contraintes mécaniques sont susceptibles d'être les plus élevées, avant de se développer le long de la surface de l'implant et en direction de l'os mature. Ce profil de propagation osseuse, en accord avec les mesures histologiques du contenu de la chambre osseuse, est cohérent avec le phénomène d'ostéogenèse de contact.Ces analyses multi-physiques combinées sur les mêmes échantillons démontrent que toutes les propriétés caractérisant la quantité et la qualité osseuse sont interdépendantes à travers les différentes échelles de l'os. De tels travaux de recherche, étudiant l'évolution simultanée des propriétés de l'os périprothétique, sont essentiels pour mieux comprendre le phénomène d'ostéointégration et la stabilité implantaire. Ces études pourraient aider à l'amélioration du succès chirurgical à long terme suite à la pose d'implants

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

Numerical simulation of stress-shielding at the bone-implant interface under shear loading

International audienceInserting a titanium implant in bone tissue may modify its physiological loading and therefore cause bone resorption, a phenomenon known as stress-shielding [1]. While monitoring and preventing stress-shielding is necessary to ensure the surgical success, it remains difficult to experimentally retrieve information on the properties of the interfacial tissues at the scale of 1-100 μm from the implant surface, where this phenomenon is localized. Numerical modelling represents a complementary tool to better understand phenomena related to the coupled bone-implant system due to the difficulty of measuring the stress distribution in vivo. The aim of this study is to investigate numerically the influence of various geometrical and material parameters on the local stress field around a bone-implant interface (BII) subject to shear loading

Numerical simulation of stress-shielding at the bone-implant interface under shear loading

International audienceInserting a titanium implant in bone tissue may modify its physiological loading and therefore cause bone resorption, a phenomenon known as stress-shielding [1]. While monitoring and preventing stress-shielding is necessary to ensure the surgical success, it remains difficult to experimentally retrieve information on the properties of the interfacial tissues at the scale of 1-100 μm from the implant surface, where this phenomenon is localized. Numerical modelling represents a complementary tool to better understand phenomena related to the coupled bone-implant system due to the difficulty of measuring the stress distribution in vivo. The aim of this study is to investigate numerically the influence of various geometrical and material parameters on the local stress field around a bone-implant interface (BII) subject to shear loading

Mechanical micromodeling of stress-shielding at the bone-implant interphase under shear loading

International audienceInserting a titanium implant in bone tissue may modify its physiological loading and therefore cause bone resorption, via a phenomenon called stress-shielding. The local stress field around the bone-implant interphase (BII) created under shear loading may be influenced by different parameters such as the bone-implant contact (BIC) ratio, the bone Young's modulus, the implant roughness and the implant material. To evaluate their impact, a 2-D finite element model was developed to model the BII. The implant roughness was described by a sinusoidal function (height 2Δ, wavelength λ) and different values of the BIC ratio were simulated. A heterogeneous distribution of the maximum shear stress was evidenced in the periprosthetic bone tissue, with high interfacial stress for low BIC ratios and low implant roughness, and underloaded regions near the roughness valleys. Both phenomena may lead to stress-shielding related effects, which was concentrated within a distance lower than 0.8.λ from the implant surface. Choosing an implant material with mechanical properties matching those of bone tissue leads to a homogenized shear stress field, and could help to prevent stress-shielding effects. Finally, the equivalent shear modulus of the BII was derived to replace its complex behavior by a simpler analytical model in future studies

Multimodal Evaluation of the Spatiotemporal Variations of Periprosthetic Bone Properties

International audienceTitanium implants are widely used in dental and orthopedic surgery. However, implant failures still occur because of a lack of implant stability. The biomechanical properties of bone tissue located around the implant need to be assessed to better understand the osseointegration phenomena and anticipate implant failure. The aim of this study was to explore the spatio-temporal variation of the microscopic elastic properties of newly formed bone tissue close to an implant. Eight coin-shaped Ti6Al4V implants were inserted into rabbit tibiae for 7 and 13 weeks using an in vivo model allowing the distinction between mature and newly formed bone in a standardized configuration. Nanoindentation and micro-Brillouin scattering measurements were carried out in similar locations to measure the indentation modulus and the wave velocity, from which relative variations of bone mass density were extracted.The indentation modulus, the wave velocity and mass density were found to be higher i) in newly formed bone tissue located close to the implant surface, compared to mature cortical bone tissue, and ii) after longer healing time, consistently with an increased mineralization. Within the bone chamber, the spatial distribution of elastic properties was more heterogeneous for shorter healing durations. After 7 weeks of healing, bone tissue in the bone chamber close to the implant surface was 12.3 % denser than bone tissue further away. Bone tissue close to the chamber edge was 16.8 % denser than in its center. These results suggest a bone spreading pathway along tissue maturation, which is confirmed by histology and consistent with contact osteogenesis phenomena