Kinematic and kinetic outcomes of different tibiofemoral component size combinations in total knee arthroplasty: a musculoskeletal modelling study

Total Knee Arthroplasty (TKA) is considered the gold-standard treatment for advanced-stage osteoarthritis, as it effectively reduces pain and restores knee joint function. Despite the high survival rates of implants, a significant proportion of patients remain dissatisfied after surgery, and different combinations of tibiofemoral component sizes have been suggested as potential contributors to revision risk. Surgeons frequently combine various femoral and tibial sizes to optimize anatomical fit; however, the biomechanical consequences of these combinations are still poorly understood. Previous studies have focused primarily on in vitro experiments or finite element (FE) analyses, emphasizing implant mechanical response while providing limited insight into joint kinematics during functional activities. The present study employed musculoskeletal modeling to investigate the effects of different tibiofemoral component size combinations of the Columbus DD total knee prosthesis (Aesculap) on knee kinematics and kinetics during walking and squatting. Musculoskeletal models allow dynamic, subject-specific predictions of joint loads and motions, overcoming the typical limitations of in vivo and in vitro methods. The results showed that variations of one or two component sizes did not substantially affect knee kinematics or contact loads. However, localized differences in contact pressures were observed, suggesting potential implications for the long-term mechanical integrity of the implant. The absence of significant kinematic differences is likely related to the consistent tibiofemoral congruency of the Columbus DD design, which allows safe combinations of different tibiofemoral component sizes without major biomechanical impact. Overall, this feasibility study provides a good starting point for future research on tibiofemoral component size combinations in TKA and may help inform surgical planning, optimize component size selection, and provide useful insights for manufacturers.

L’intervento di Artroplastica Totale di Ginocchio (ATG) è considerato il trattamento di riferimento per l’osteoartrite in stadio avanzato, poiché consente di ridurre il dolore e di ripristinare la funzionalità articolare del ginocchio. Nonostante l’elevata sopravvivenza degli impianti, una proporzione significativa di pazienti rimane insoddisfatta a seguito dell’intervento, e diverse combinazioni di taglie dei componenti tibiofemorali sono state indicate come possibili fattori di rischio per la revisione. I chirurghi combinano frequentemente diverse taglie femorali e tibiali per ottimizzare la corrispondenza anatomica; tuttavia, le conseguenze biomeccaniche di tali combinazioni sono ancora poco comprese. In letteratura, diversi studi si sono concentrati su esperimenti in vitro o su analisi tramite elementi finiti, focalizzandosi principalmente sulla risposta meccanica degli impianti e fornendo informazioni limitate sulla cinematica articolare durante le attività funzionali. Il presente studio ha impiegato la modellazione muscoloscheletrica per valutare gli effetti di diverse combinazioni di taglie dei componenti tibiofemorali della protesi totale di ginocchio Columbus DD (Aesculap) sulla cinematica e sulla cinetica del ginocchio durante la camminata e lo squat. I modelli muscoloscheletrici consentono di prevedere in modo dinamico e personalizzato i carichi e i movimenti articolari, superando le limitazioni tipiche dei metodi in vivo e in vitro. I risultati di questo studio hanno mostrato che variazioni di una o due taglie dei componenti tibiofemorali non influiscono in modo sostanziale sulla cinematica del ginocchio né sui carichi di contatto. Sono state tuttavia osservate differenze localizzate nelle pressioni di contatto, suggerendo possibili implicazioni per l’integrità meccanica dell’impianto nel tempo. L’assenza di differenze cinematiche significative è probabilmente legata alla congruenza costante tra tibia e femore del design Columbus DD, che consente la combinazione sicura di diverse taglie femorali e tibiali senza impatti biomeccanici rilevanti. Nel complesso, questo studio rappresenta un buon punto di partenza per future ricerche sulle diverse combinazioni di taglie dei componenti tibiofemorali in ATG e può contribuire a supportare la pianificazione chirurgica finalizzata all’ottimizzazione della scelta di taglia dei componenti, dei relativi risultati clinici e a fornire informazioni utili anche ai fabbricanti.