Finite element analysis of the treatment of bone defects in revision total knee arthroplasty using SmartBone bone substitute

The knee represents one of the most important joints of human body, characterized by a very complex structure and, when severe damages interfere with its physiological performance, it is necessary to intervene surgically with a total knee arthroplasty (TKA). In some cases, the surgery may not be successfully, and a revision surgery is required (rTKA). The problem when performing rTKA is that the stability of the new prosthesis is compromised by severe bone loss that could be treated with different solutions. Nowadays, most of these components are made in solid or porous metals, that show several disadvantages and are permanent. To overcome the presence of permanent device and to increase biocompatibility new materials are investigated. One of these materials is SmartBone® , a bone substitute developed by IBI SA. In this thesis a finite element analysis (FEA) is carried out to understand if SmartBone could be suitable bone substitute in the treatments of medial tibia bone defects. Firstly, a preliminary study is carried out to understand if the utilization of reinforcements, such as Kirschner’s wires or bioabsorbable pins, could be useful in improving the behavior and mechanical performances of SmartBone. After observing that some improvements are obtained, a second analysis is carried out in order to investigate the changes in tibial bone stress response to the placement of reinforced SmartBone under a compressive test. The results obtained demonstrate that the insertion of SmartBone induces a change in terms of bone stress, with higher values with respect to the healthy tibia, mostly in the region surrounding the bone substitute. So, it is possible to conclude that SmartBone could still be a suitable alternative in the treatment of bone defects, since the increase in the stresses acting on the tibia is not drastic, but more studies, considering different types of defects and in vivo, should be carried out to confirm these results.

Il ginocchio è una delle più importanti articolazioni del corpo umano e presenta una struttura molto complessa. In seguito a gravi danni l’articolazione viene compromessa ed è necessario intervenire chirurgicamente con una protesi totale di ginocchio. Tuttavia, in alcuni casi, l’intervento non ha esito positivo ed è necessario un secondo intervento di revisione dell’impianto (rTKA). Una delle criticità che si manifestano con il nuovo impianto è la mancanza di stabilità, dovuta ad una grave perdita di tessuto osseo che deve essere trattata prima di procedere all’impianto di una nuova protesi. In base alla criticità del difetto esistono diverse soluzioni cliniche; la maggior parte è però prodotta in metallico solido o poroso e presenta vari svantaggi, tra cui il fatto di essere permanente. Per ovviare alla presenza di un dispositivo permanente, si procede quindi con lo studio di materiali innovativi; uno di questi è SmartBone, prodotto da IBI SA. Per capire se SmartBone possa essere un valido sostituito per il trattamento di difetti ossei in rTKA, è necessario studiare come varia la risposta dell’osso a seguito del suo impianto. In questo studio verrà effettuata sull’analisi ad elementi finiti utili per visualizzare la distribuzione degli sforzi nell’osso tibiale confrontando i risultati ottenuti con quelli di un osso tibiale sano. In particolare, verrà considerato un difetto tibiale mediale. Prima di questo però viene effettuato uno studio preliminare per valutare se il rinforzo dello SmartBone, con pin metallici o bioriassorbibili, possa migliorare le prestazioni rispetto al semplice SmartBone “puro”. Dopo aver constatato che il modello rinforzato porta dei benefici, si effettua l’analisi ad elementi finiti sul modello virtuale di tibia con un test di compressione. I risultati mostrano che l’utilizzo di SmartBone nel trattamento di difetti ossei inducono una variazione degli sforzi agenti sull’osso rispetto all’osso sano, con un leggero incremento dello sforzo nella regione in prossimità del difetto. È possibile concludere che SmartBone potrebbe essere una buona alternativa al metallo nel trattamento di difetti ossei, ma ulteriori studi devono essere svolti per confermare questo risultato.