Introduction: In hip arthroplasty a trend towards short stem prostheses is observed. The aim of this study is to investigate the finite element analysis and biomechanical fatigue performance of a new short stem prosthesis.
Methods: A finite element analysis was used to simulate the stresses during neck and stem loading according to the ISO standards. Numerical analysis with applied forces of up to 6 kN were performed in the vertical direction on a femoral neck-preserving stem (MiniMIS). During experimental testing, 10 million cycles with a maximum load of 5.34 kN using the worst case of a XL ceramic head (36 mm) were applied. This was followed by a Locati test, where the load was increased until failure of the stem.
Results: For all stems, stress values below the limits according to the ISO 5832-3 standard (yield strength of 800 N/mm2) were calculated by the finite element analysis. In the biomechanical tests, the total number of 10 million cycles with a maximum load of 5.34 kN was reached in all cases without any visible signs of implant damage. The estimated load to failure after stem testing was 2.16 kN (required by ISO 7206-4: 1.2 kN) and after neck testing > 9.35 kN (required by ISO 7206-6: 5.4 kN).
Summary: The presented finite element calculation and subsequent biomechanical testing show that the design of this stem meets the essential mechanical requirements given by the ISO and a material failure is not expected in all variants tested under the applied boundary conditions.
Einleitung: Bei der Hüftendoprothetik ist eine zunehmende Entwicklung zu den Kurzschaftprothesen festzustellen. Ziel dieser Studie ist es, die biomechanische Festigkeit an Hand der Finite-Elemente-Analyse und experimentell die Dauerbelastung einer neuen Kurzschaftprothese zu untersuchen.
Methoden: Es wurde einerseits eine Finite-Elemente-Analyse für die Belastungssituation „Halstest“ und „Schafttest“ nach den zutreffenden ISO-Normen berechnet. Dabei wurden unterschiedliche Einbetthöhen gewählt und entsprechend diesen ISO-Normen die Ausrichtung durchgeführt. Eine Belastung bis 6 kN wurde in vertikaler Richtung aufgebracht. Untersucht wurde ein schenkelhalsteilerhaltender Schaft (MiniMIS). Anschließend wurden normgerechte experimentelle Testungen über 10 Mio. Zyklen unter einer Maximallast von 5,34 kN und Verwendung eines XL-Keramikkopfes mit 36 mm (worst case) durchgeführt. Schließlich wurde die Last bis zum Materialversagen schrittweise erhöht (Locati).
Ergebnisse: Bei allen Schäften wurde in der Finite-Elemente-Analyse Von-Mises-Spannungen kleiner 800 N/mm2 ermittelt, womit die Grenzwerte der ISO 5832-3 nicht überschritten wurden. Bei den experimentellen Testungen nach ISO 7206-6 (Halstest) wurde in allen Fällen die Gesamtzahl von 10 Mio. Lastzyklen bei 5,34 kN Maximallast erreicht und eine geschätzte Dauerfestigkeit von > 9,35 kN bestimmt. Es wurden keine sichtbaren Beschädigungen an den getesteten Implantaten festgestellt. In den Testungen nach ISO 7206-4 (Schafttest) wird die geschätzte Dauerfestigkeit mit 2,16 kN bei geforderten 1,2 kN für 5 Mio. Zyklen bestätigt.
Zusammenfassung: Die hier vorgestellte Finite-Elemente-Analyse und die darauffolgende biomechanische Testung zeigen, dass das Design dieser Schäfte die normativen Anforderungen für die mechanische Festigkeit erfüllt und ein Materialversagen bei den untersuchten Varianten und Größen unter diesen Bedingungen nicht zu erwarten ist.
Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York.