Experimental investigation of bone damage caused by screw insertion and pull-out loading

Understanding the interaction between trabecular bone and screws is essential for improving clinical outcomes in orthopedic, dental, and trauma surgery. In this study, a comprehensive protocol was developed and validated to assess the structural damage induced by screw insertion and subsequent mechanical loading in trabecular bone, using the porcine radius as an experimental model. The experimental design reproduced clinically relevant procedures: cutting, drilling, screwing, and axial loading, allowing for a reproducible and spatially resolved analysis of damage progression. Standardized cubic specimens (20 mm x 20 mm x 20 mm) were prepared by sequential cutting. Bone marrow was enzymatically removed using Tergazyme in order to preserve matrix integrity and facilitate imaging. A 2 mm hole was drilled into each specimen, and titanium screws (model 207.030, DePuy Synthes) were inserted. Additional damage was induced through axial pull-out tests performed with a Zwick Roell universal testing machine until structural failure occurred. High-resolution microCT scans, acquired before and after loading, enabled the quantification of architectural changes in the peri-screw region. A reduction in bone volume fraction was observed around the screw trajectory, indicative of localized microarchitectural collapse under mechanical overload. To temporally distinguish the different phases of damage, a sequential fluorochrome labeling protocol was implemented. Xylenol Orange (red fluorescence) was applied after drilling, while Calcein (green fluorescence) was introduced after loading. This approach allowed for discrimination of the origin and nature of the damage. Optical and fluorescence microscopy revealed microfractures originating at the screw–bone interface, as well as diffuse damage in adjacent trabeculae. The combined use of fluorochromes enhanced visualization, and the integration with dual-mode imaging improved both resolution and interpretability of damage morphology. Load-displacement curves displayed an elastic phase followed by a maximum peak, after which failure occurred, confirming the brittle behavior of the tissue. These findings validate the mechanical sensitivity of the setup and the reproducibility of the protocol. The proposed experimental framework provides new insights into the mechanical and structural response of trabecular bone under various stress conditions, introducing methodological improvements over standard protocols. In conclusion, the aim of this study is to investigate the bone damage and provide useful data for the development of improved screw designs, optimized drilling protocols, and less invasive surgical techniques. Such advances are crucial to minimizing peri-implant damage, promoting faster healing, and reducing complications such as microfractures or osteonecrosis.

Comprendere l'interazione tra osso trabecolare e viti è essenziale per migliorare gli esiti clinici in chirurgia ortopedica, dentale e traumatologica. In questo studio è stato sviluppato e validato un protocollo completo per valutare il danno strutturale indotto dall'inserimento di una vite e dal successivo carico meccanico nell'osso trabecolare, utilizzando il radio suino come modello sperimentale. Il disegno sperimentale ha riprodotto procedure clinicamente rilevanti: taglio, foratura, avvitamento e carico assiale, consentendo un'analisi riproducibile e spazialmente risolta della progressione del danno. Campioni cubici standardizzati (20 mm x 20 mm x 20 mm) sono stati ottenuti tramite taglio sequenziale. Il midollo osseo è stato rimosso enzimaticamente con Tergazyme, al fine di preservare l'integrità della matrice e facilitare l'imaging. Su ciascun campione è stato praticato un foro di 2 mm e sono state inserite viti in titanio (modello 207.030, DePuy Synthes). Successivamente, il danno è stato ulteriormente indotto mediante test di pull-out assiale, eseguito con una macchina universale Zwick Roell, fino al cedimento strutturale. Scansioni micro-CT ad alta risoluzione, eseguite prima e dopo il carico, hanno permesso di quantificare i cambiamenti architetturali nella regione peri-svitale. È stata osservata una riduzione della frazione di volume osseo attorno al percorso della vite, indicativa di un collasso microarchitetturale localizzato in condizioni di sovraccarico meccanico. Per distinguere temporalmente le diverse fasi di danno, è stato implementato un protocollo di colorazione sequenziale. Lo Xylenol Orange (fluorescenza rossa) è stato applicato dopo la foratura, mentre la Calceina (fluorescenza verde) è stata introdotta dopo il carico. Tale approccio ha consentito di discriminare l'origine e la natura del danno. La microscopia ottica e a fluorescenza ha evidenziato microfratture originate all’interfaccia vite–osso, oltre a un danno diffuso nelle trabecole adiacenti. L'uso combinato dei fluorocromi ha migliorato la visualizzazione e, integrato alla doppia modalità di imaging, ha aumentato la risoluzione e l'interpretabilità morfologica del danno. Le curve carico-spostamento hanno mostrato una fase elastica seguita da un picco massimo, oltre il quale si è verificato il cedimento, confermando il comportamento fragile del tessuto. Questi risultati validano la sensibilità meccanica del setup e la riproducibilità del protocollo. Il framework sperimentale proposto fornisce nuove informazioni sulla risposta meccanica e strutturale dell’osso trabecolare sotto diversi stress, introducendo miglioramenti metodologici rispetto ai protocolli standard. In conclusione, l'obiettivo di questo studio è analizzare il danno osseo e fornire dati utili allo sviluppo di design di viti migliorati, protocolli di foratura ottimizzati e tecniche chirurgiche meno invasive. Questi progressi sono fondamentali per ridurre i danni peri-impianto, favorire una guarigione più rapida e limitare complicanze quali microfratture o osteonecrosi.