Effects of different femoral component materials on bone and implant response in Total Knee Arthroplasty: a finite element analysis

Over the years Total Knee Arthroplasty (TKA) has become one of the most common surgical procedures performed for patients with advanced osteoarthritis or other degenerative pathologies. Despite its success, there is still a number of cases that require revision for aseptic loosening of components which is commonly caused by stress shielding, which results in bone resorption around the prosthesis. Stress shielding is a well-known phenomenon in TKA, it causes a decrease in bone mineral density as a consequence of a decrease in the amount of stress that bone receives. Design features of the prosthetic components, such as material properties, are known to influence stress shielding and how the stress is transmitted to the underlying bone. In fact, stress shielding occurs when there is a mismatch in Young’s modulus of elasticity between implant material and surrounding bone. As a result, after surgery, the implant, whose material property is stiffer than that of bone, carries a part of the mechanical load that was previously carried by the host bone thus, insufficient loads are delivered to the bone, which induces bone resorption in accordance with Wolff’s Law. To reduce stress shielding, implant components should be made of less stiff materials. The current study compares a Cobalt-Chromium femoral component to a Titanium one of the same design in order to evaluate the potential benefit of Titanium in reducing stress shielding. Given that CoCr is stiffer than Titanium (E = 241 GPa versus E = 110 GPa, respectively), therefore a Titanium component is expected to transfer more load to the bone and, consequently, lead to less bone resorption than a CoCr one. The aim has been achieved through the development of a knee model in the Finite Element software Abaqus. The model has been used to evaluate the bone and implant response after TKA. The following outputs have been evaluated: the von Mises stress in the periprosthetic femur, the contact force and the contact area between the tibial insert and the femoral component. All the outputs obtained with the CoCr component have been compared to those obtained with the Titanium component. The bone stress values with the Titanium component are generally higher than those with the CoCr component, and the difference increases with flexion angle. Due to its higher stiffness, the CoCr component leads to more stress shielding with respect to the Titanium one. We can conclude that at higher degrees of flexion (60°- 90°- 120°) the Titanium component performs better all the Regions Of Interest showing more load transfer to the bone than the CoCr one. The change in the material of the femoral component has no effect on the magnitude of the contact force and in the contact area at the tibio-femoral. The model revealed to be effective in describing the effects of the femoral component material on bone stress, highlighting the importance of choosing the components’ materials in TKA as a stiffer material could lead to early failure due to loosening of the components deriving from a decrease in the stress condition of periprosthetic bone.

Nel corso degli anni l'artroplastica totale di ginocchio (TKA) è diventata una delle procedure chirurgiche più comuni eseguite per i pazienti con osteoartrite avanzata o altre patologie degenerative. Nonostante il suo successo, ci sono ancora alcuni casi in cui è necessaria una revisione per mobilizzazione asettica dei componenti, generalmente causata da stress shielding, che provoca il riassorbimento osseo attorno alla protesi. Lo stress shielding è un fenomeno che provoca una diminuzione della densità minerale ossea a causa della riduzione della quantità di carico che l'osso riceve. È ben noto che le specifiche di progettazione dei componenti protesici, come le proprietà dei materiali, influenzino lo stress shielding e il modo in cui il carico viene trasmesso all'osso sottostante. Questo perché lo stress shielding si verifica quando c'è una differenza nel modulo elastico tra il materiale dell'impianto e l'osso circostante. Pertanto, dopo l'intervento chirurgico, essendo l’impianto più rigido dell'osso sostiene una parte del carico meccanico che in precedenza era sostenuto dall'osso; di conseguenza, all'osso viene fornito un carico insufficiente, provocando il riassorbimento osseo secondo la legge di Wolff. Per ridurre lo stress shielding, i componenti dell'impianto dovrebbero essere realizzati con materiali meno rigidi. Il presente studio mira a confrontare una componente femorale in Cobalto-Cromo e una in Titanio con lo stesso design, al fine di valutare il potenziale vantaggio del Titanio nel ridurre lo stress shielding. Poichè il CoCr è più rigido del Titanio (E = 241 GPa contro E = 110 GPa, rispettivamente), ci si aspetta che la componente in Titanio trasmetta più carico all'osso e quindi porti a un minore riassorbimento osseo rispetto alla componente in CoCr. L'obiettivo è stato raggiunto attraverso lo sviluppo di un modello di ginocchio nel software agli elementi finiti Abaqus. Il modello è stato utilizzato per valutare la risposta dell'osso e dell'impianto dopo la TKA. Sono stati valutati i seguenti output: sforzo di von Mises nel femore periprotesico, forza di contatto e area di contatto tra l'inserto tibiale e la componente femorale. Tutti i risultati ottenuti con la componente in CoCr sono stati confrontati con quelli ottenuti con la componente in Titanio. I valori di sforzo osseo con la componente in Titanio sono generalmente superiori a quelli con la componente in CoCr e la differenza aumenta con l'angolo di flessione. A causa della sua maggiore rigidità, la componente in CoCr determina un maggiore stress shielding rispetto a quella in Titanio. Possiamo concludere che a gradi di flessione più elevati (60°- 90°- 120°) la componente in Titanio si comporta meglio in tutte le regioni di interesse, mostrando un maggiore trasferimento del carico all'osso rispetto alla componente in CoCr. La variazione del materiale della componente femorale non influisce sulla forza di contatto e sull'area di contatto tibio-femorale. Il modello si è rivelato efficace nel descrivere gli effetti del materiale della componente femorale sullo sforzo nell'osso, evidenziando l'importanza della scelta dei materiali delle componenti nella TKA poiché un materiale più rigido potrebbe portare a un fallimento precoce dell’impianto a causa della mobilizzazione asettica delle componenti dovuta alla diminuzione dello sforzo nell'osso periprotesico.