Influence of Intramedullary Stem Length and Material of Custom Made Tumorendoprosthesis on Load Transmission into the Bone in Proximal Femoral Replacement

Einleitung: Das proximale Femur ist eine häufige Lokalisation maligner Knochentumoren. Beim proximalen Femurersatz durch eine defektüberbrückende Tumorendoprothese ist die aseptische Prothesenlockerung zur Hauptversagensursache avanciert. Mitverantwortlich dafür ist das sog. Stress Shielding durch veränderte Spannungsverhältnisse des Knochenlagers. Zielsetzung: Ziel war es, anhand einer biomechanischen Laboruntersuchung den Einfluss von Material und Länge des intramedullären Verankerungsstieles hinsichtlich einer möglichst physiologischen Krafteinleitung in das Restfemur bei verschiedenen Resektionshöhen zu bestimmen. Material und Methoden: Nach Auswertung der Daten von Tumorpatienten der Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie der TU München sollten Rundschäfte der Längen 80 mm, 120 mm und 160 mm aus CoCrMo, TiAl4V6 und Kohlenstofffaserverbundwerkstoff (CFK) jeweils in Resektionshöhen von 80 mm, 160 mm und 240 mm distal des Femurkopfzentrums implantiert werden. Als Versuchsknochen wurden nach mechanischer Prüfung Composite Femora der Fa. Pacific Research Labs. verwendet. Um eine praxisrelevante Lastsituation zu erhalten, wurde ein Computerprogramm zur Berechnung der Belastung des gesamten Femurs während des Ganges entwickelt. Die maximale Knochenbelastung liegt kurz nach dem Aufsetzen der Ferse.Sie wurde als zu verwendende ’Standardbelastung’ festgelegt und durch eine geeignete Versuchsanordnung auf den Implantat-Knochen-Verbund übertragen. Mit Hilfe der Photoelastischen Dehnungsmessung wurden die Knochendehnungen im unresezierten Zustand und anschließend in den verschiedenen Resektionshöhen bestimmt und verglichen, wobei der versteifende Einfluss der spannungsoptischen Kunststoffschicht vorher bestimmt wurde. Die gemessenen Hauptdehnungsdifferenzen (HDD) wurden hinsichtlich der im Vergleich zum unresezierten Zustand prozentualen Verringerung der HDD ausgewertet. Ergebnisse: Direkt unterhalb der Osteotomie zeigte sich vom Implantattyp ein weitgehend unabhängiges, ausgeprägtes stress shielding, was auf ein grundsätzliches Problem in diesem Bereich schließen lässt. Im weiteren Diaphysenverlauf zeigte sich eine mit der Länge und der Steifigkeit der Schäfte zunehmendes Reduktion der Knochendehnungen, die sich mit steigender Resektionshöhe stärker auswirkte. Dabei war die Länge des Implantates mit Unterschieden bis 54 % Reduktion der HDD der entscheidende Faktor, das Material spielte mit Unterschieden bis maximal 19 % HDD-Reduktion eine geringere Rolle. Außerdem konnten Spannungsspitzen in verschiedenen Regionen lokalisiert werden. Distal der Implantate war der Spannungszustand unverändert zum intakten Femur. Folgerungen und Ausblicke: Schaftlängen über 120mm sollten soweit möglich nicht verwendet werden. Als Material ist Titan der Vorzug zu geben. Ob kürzere Stiele und andere Materialien zu besseren Langzeitresultaten führen könnten, muss erst durch weiterführende Untersuchungen überprüft werden, für die mit dieser Arbeit die Grundlage gelegt wurde. Introduction: The proximal femur is a frequent localisation of maligne bone tumors. Aseptic loosening has become the major complication in proximal femoral replacement by tumorendoprosthesis. Stress shielding in bone tissue is a factor causing aseptic loosening. Objective: The purpose of this biomechanic lab research was to evaluate the influence of intramedullary stem length and material on load transmission and strain distribution into the femoral bone in different resection heights. Material and methods: After analysing tumor patient data of the Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie der TU München, intramedullary round stems with a length of 80 mm, 120 mm und 160 mm made from CoCrMo, TiAl4V6 and a carbon fibre reinforced epoxy material(CFK) were consecutively implantet in resection heights of 80 mm, 160 mm und 240 mm distally the femoral head. Composite Femora by Pacific Research Labs. were used after mechanical validation. To obtain a relevant load situation, a PC program to calculate the loads along the whole femur during gait cycle was developed. Maximum bone loads occur shortly after heel strike. This load situation was transmitted by a frame construction to the implant/bone compound. Bone surface strains mere measured by photoelastic coating technique, whereby the reinforcing effect of the coating was evaluated before. Strains were first measured in the intact femurs and then in the femurs with the implants after resection in the different heights. We analysed the relative (percental) reduction of the measured principal strain differences (PSD) of the resected femurs compared to the intact ones. Results: Directly underneath the osteotomy an area of strong stress shielding was seen independent to the implant type. This causes perhaps general problems in this region. Along the diaphysis, a reduction of bone strains correlating to stem length and stiffness was seen, whereby this effect was mounting with increasing resection height. Stem length was the more important factor with a maximum difference in PSD reduction of 54% between stems made of the same material, compared to the material effect, which caused max. 19% difference in PSD reduction. Furthermore, strain peaks could be localized. Distally the implant stems, strains were the same like on the intact femur. Conclusions: Stem length should not exceed 120mm if possible. Titanium alloys should be preferred. Possibly, shorter stems and new materials like CFK could lead to better long term results, but this has to be evaluated in further studies. This study builds a base for such researches concerning optimisation of proximal femoral replacement.