Biomechanics of porous ceramic implants used in long-bones segmental defect healing

Abstract

oz KIRIK KEMİKLERDE KULLANILAN GÖZENEKLİ SERAMİK PROTEZLERİN BİYOMEKANİĞİ Balçık, Cenk Doktora, Mühendislik Bilimleri Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Turgut Tokdemir Ortak Tez Yöneticisi: Prof.Dr. Feza Korkusuz Eylül 2002, 139 sayfa Parçalanmış kırıklarda kemiğin yeniden yapılandırılması, segmenter kemik kaybı ve atrofik bağlanma yokluğu nedeniyle kemik kaynamasının görülmediği, zorlu bir ortopedik konudur. Kalsiyum ve fosfat bazlı seramikler biyolojik olarak uyumlu, eriyebilir ve osteokondüktif özellikler gösterdiklerinden, segmenter kemik kırıklarında kullanılan yeni nesil kemik dolgularıdır. İdeal seramik karışımı, şekli ve materyal özellikleri daha henüz belirlenememiştir. Bu çalışmada, kolayca uygulanabilen, parçalanmış kemik kırıklarının yeni iyileştirme modeli, gözenekli iki tip seramik dolgu malzemesi kullanılarak incelendi. Yüzde 60 hidroksiapatit ve yüzde 40 trikalsiyum fosfattan oluşan komposit searmikler ve sade hidroksiapatit seramikler tavşan kaval kemiklerinin parçalanmiş kırıklarına yerleştirildi. Kaval kemiğinin orta 1/3 bölgesinden bir santimetre uzunluğunda kemik kısmı kesilerek çıkarıldı ve yerine takılan seramik, kemik iç boşluğundan geçirilen Kirschner teli ile sabitlendi. Ameliyatlardan sonrahayvanların rahatça hareket etmelerine izin verildi. Seramiklerin kırık iyileşmesine etkisi, kaval kemik numunelerinin 6,12 ve 18 haftalarda elde edilmesi ile incelendi. Elde edilen numunelerde uygulanan X-ışını ve mekanik testler, iyileşmenin öncelikle zamana bağlı olarak gelişimini gösterdi. Üç yönlü eğilme deneyleri tarafından belirlenen kemik iyileşmesi, iki kanallı frekans ayrıştırgacı kullanılarak varılan modal analiz sonuçlarıyla uyumluluğu belirlendi. İyileşmenin ilk aşamalarında, resonant frekanları üç yönlü eğilme deneyleri ile karşılaştırılabilir sonuçlar verdi. Resonant frekans değerleri, yapı sertliğinin karekökü ile ve yapı uzunluğunun karesi ile doğru orantılı olduğundan, iyileşmenin ilerleyen aşamalarında dikkatlice kullanılmalıdır. X- ışını, histoloji ve mekanik analizler sonucu, kompozit seramiklerinin saf hidroksiapatit seramiklerine göre az da olsa segmenter kemik kırıklarının iyileşmesinde üstünlüğü izlendi. 18 hafta sonunda seramik protez takılan kemikler, normal kaval kemiğinin % 30 kuvvet kapasitesine ulaştılar. Hayvan deneyleri sırasında, iltihaplanmalar nadiren görüldü fakat seramiklerin etraflarındaki doku yapısı ile tepkime vermedikleri histoloji çalışmaları ile tespitlendi. 12 hafta sonunda kemik kırık nasırının sabit bağ yapısını gerçekleştirdiği belirlendi. Segmenter defektlerde kullanılan seramiklerin kırılma durumları, sonlu elemanlar yöntemi ile incelendi. Sonlu elemanlar analizi, seramiklerin olası aksiyel ve bükülme yüklemelerine karşı dayanıklı olduğunu tespitledi. Beklenmeyen şiddetli çarpma ve kesme yükleri haricinde, yüklemenin kemik uzunluğu yönü ile yaptığı açı sonucu oluşan eğilme kuvvetinin kritik olduğu belirlendi. Uygulanan Kirschner teli sabitlemesinin öncelikle bu yükleme durumuna destek verdiği hesaplandı. Sonlu eleman analizi sonucu segmenter kemik def ektinde sabit bağlanma sağlanıncaya kadar yüksek eğilme kuvvetlerinin engellenmesi gerektiği bulundu. Her iki seramik tipinin de mekanik ve osteokondüktif olarak uygun kemik dolgusu olduğu ve segmenter kemiklerde uygun iyileşme potansiyellerine sahip bulunduğu sonucuna varıldı. Anahtar Kelimeler: Segmental Kırık, Biyomekanik, Hidroksiapatit, Tri-kalsiyum Fosfat, Kemik İyileşmesi. VI %'^ti^

ABSTRACT BIOMECHANICS OF POROUS CERAMIC IMPLANTS USED IN LONG-BONES SEGMENTAL DEFECT HEALING Balçık, Cenk Ph.D., Department of Engineering Sciences Supervisor: Prof.Dr. Turgut Tokdemir Co-Supervisor: Prof.Dr. Feza Korkusuz September 2002, 139 pages Reconstruction of bone in segmental defect is a challenging orthopedic application in which nonunion is seen due to loss of tissue and atrophic bonding inability. Calcium and phosphate based ceramics are the new generation of bone grafts to be used in large segmental defects as they show excellent biocompatibility, biodegradability and osteoconductivity. Ideal ceramic composition, configuration and material property compatible to cortical bone is yet to be determined. It is hypothesized that long-bones segmental defects can be healed when appropriate ceramics will be used. In this study, easily applicable new segmental defect repair model of bone is evaluated by implanting two types of porous ceramic grafts. Composite ceramics, containing 40 % tricalcium phosphate and 60 % hydroxyapatite, and pure hydroxyapatite ceramics were implanted in the segmental defects of the rabbit tibiae. A 1 cm length of bone was resected from the mid 1/3 of the tibia and the ceramic was intramedullary fixed using Kirschner wire. mThe animals were allowed to move freely immediately after the operation. The healing progress with ceramic implants was evaluated at 6, 12 and 18 weeks by extracting ceramic-containing tibia specimens. X-ray, bone density measurements and mechanical tests performed on collected specimens indicated that the healing enhanced primarily with time. The healing progress determined by three-point bending was verified by the modal analysis of the specimens performed by dual channel frequency spectrum analyzer. Resonant frequencies yield comparable results with the three-point bending tests at the early stages of healing. As the flexural resonant frequency is proportional with the square root of the stiffness of the structure and the square of the length of the structure, it should be used with caution at the later stages of healing. X-ray, histology and mechanical analysis of composite ceramics yield a slight advantage over pure hydroxyapatite ceramics in the healing of segmental bone defect. At the end of 18 weeks of implantation period, the ceramic implanted tibiae gained their 30 % of intact strength. Inflammation was recorded in some specimens but the histology of ceramics did not reveal tissue reaction with the surrounding bone tissue. At the end of 12 weeks, the fracture callus surrounding defect zone formed a rigid union verified by the X-ray images and the vibration analysis. Finite element analysis of the segmental defect model determined the failure conditions of the ceramics in consideration. The finite element model signified that ceramic application is fully resistant to possible axial and torsion loading conditions. The critical loading condition, aside from unexpected excessive impact or shear, was the bending moment generated at the distal end of the tibia with increased lateral angle. Kirschner wire fixation gave support primarily to the bending conditions. The finite element analysis pointed out that excessive bending should be prevented in the segmental healing model until rigid callus union is achieved. Both ceramics had mechanical and osteoconductive properties suitable for bone grafting and showed good healing potential to be used in the repair of segmental defects. Keywords: Segmental Defect, Biomechanics, Hydroxyapatite, Tricalcium Phosphate, Bone Healing. IV