Impaction bone grafting for acetabular bone defects replacement in revision hip arthroplasty: biomechanical aspects

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. The leading role in long-term survival of the prosthesis installed using impaction bone grafting is given to the mechanical properties of the graft.

The aim of the study is to explore the mechanical properties of osteoplastic material and determine the potential impact of cyclic loads on dynamic changes in the position of the acetabular component after revision hip arthroplasty using impaction bone grafting.

Methods. We conducted an experiment evaluating the impact of cyclic loads on the mechanical properties of osteoplastic material. At the first stage, a single-cycle tension-compression testing was carried out. Cyclic tests were carried out at the second stage of the experiment. Taking into account the presence of blood in the wound, we provided for a model with an aqueous solution of 45% glycerin. Clinical interpretation of biomechanics was carried out basing on the dynamic radiography data of two patients who underwent revision hip arthroplasty with the use of impaction bone grafting (IBG). The changes in the position of the rotation center and acetabular component were assessed.

Results. During a single-cycle loading, we observed stress-strain dependences and instantaneous elastic moduli for each specimen. During cyclic tests, we obtained the increase of the instantaneous elastic modulus by 2.6 times for a “dry” specimen and from 3.9 to 4.7 times for the ones with liquid. X-rays of both patients showed the shift of the center rotation cranially and laterally: 2.4 and 1.5 mm in the first case and 14.9 and 9.5 mm in the second one, respectively. In the first case the change in the inclination was 18.7º, in the second case — 19.8º. The Hip Harris Score (HHS) was 97 points for the first patient, 53 points — for the second one.

Conclusions. The material used for IBG is subject to deformation both in the intraoperative and postoperative period. Compression tests have suggested that the deformation of morselized impacted bone graft gradually tends to reach a plateau in the postoperative period, and with the completion of the deformation, migration of the acetabular component stops. The change in the position of the rotation center and acetabular component in the absence of a radiolucent line is not an absolute sign of loosening.

About the authors

Vadim N. Golnik

Federal Center of Traumatology, Orthopedics and Arthroplasty

Author for correspondence.
Email: vgolnik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5047-2060
Russian Federation, Barnaul

Natalia V. Fedorova

Lavrentyev Institute of Hydrodynamics SB RAS

Email: veter-nata@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6850-995X

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Novosibirsk

Alexey Y. Larichkin

Lavrentyev Institute of Hydrodynamics SB RAS

Email: larichking@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7306-9522

Cand. Sci. (Phys.-Math.)

Russian Federation, Novosibirsk

Svetlana V. Boyko

Lavrentyev Institute of Hydrodynamics SB RAS

Email: boykosv.hydro@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1478-0533

Cand. Sci. (Phys.-Math.)

Russian Federation, Novosibirsk

Andrey A. Panchenko

LOGEEKS MS LLC

Email: andrey.a.panchenko@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1018-5059
Russian Federation, Novosibirsk

Alexandr M. Kosinov

Lavrentyev Institute of Hydrodynamics SB RAS

Email: kos.alexander@bk.ru
ORCID iD: 0009-0004-8973-172X
Russian Federation, Novosibirsk

Vladimir A. Peleganchuk

Federal Center of Traumatology, Orthopedics and Arthroplasty

Email: 297501@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2386-4421

Dr. Sci. (Med.)

Russian Federation, Barnaul

Vitaliy V. Pavlov

Novosibirsk Research Institute of Traumatology and Orthopedics n.a. Ya.L. Tsivyan

Email: pavlovdoc@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8997-7330

Dr. Sci. (Med.)

Russian Federation, Novosibirsk

References

  1. Шубняков И.И., Тихилов Р.М., Денисов А.О., Ахмедилов М.А., Черный А.Ж., Тотоев З.А. и др. Что изменилось в структуре ревизионного эндопротезирования тазобедренного сустава в последние годы? Травматология и ортопедия России. 2019;25(4):9-27. doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-4-9-27. Shubnyakov I.I., Tikhilov R.M., Denisov A.O., Akhmedilov M.A., Cherny A.Zh., Totoev Z.A. et al. What Has Changed in the Structure of Revision Hip Arthroplasty? Traumatology and Orthopedics of Russia. 2019;25(4):9-27. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2019-25-4-9-27.
  2. Kummerant J., Wirries N., Derksen A., Budde S., Windhagen H., Floerkemeier T. The etiology of revision total hip arthroplasty: current trends in a retrospective survey of 3450 cases. Arch Orthop Trauma Surg. 2020;140(9):1265-1273. doi: 10.1007/s00402-020-03514-3.
  3. Oltean-Dan D., Apostu D., Tomoaia G., Kerekes K., Păiuşan M.G., Bardas C.A. et al. Causes of revision after total hip arthroplasty in an orthopedics and traumatology regional center. Med Pharm Rep. 2022;95(2):179-184. doi: 10.15386/mpr-2136.
  4. Tikhilov R.M., Dzhavadov A.A., Kovalenko A.N., Bilyk S.S., Denisov A.O., Shubnyakov I.I. Standard Versus Custom-Made Acetabular Implants in Revision Total Hip Arthroplasty. J Arthroplasty. 2022;37(1):119-125. doi: 10.1016/j.arth.2021.09.003.
  5. Гольник В.Н., Джухаев Д.А., Красовский И.Б., Павлов В.В., Пелеганчук В.А. Хирургические аспекты позиционирования индивидуальных трехфланцевых имплантатов при замещении дефектов тазовой кости в ревизионном эндопротезировании тазобедренного сустава. Кафедра травматологии и ортопедии. 2022;50(4):15-26. doi: 10.17238/2226-2016-2022-4-15-26. Golnik V.N., Dzhukhaev D.A., Krasovsky I.B., Pavlov V.V., Peleganchuk V.A. Surgical aspects of positioning individual three-flanged implants in replacement of bone defects in revision hip arthroplasty. Department of Traumatology and Orthopedics. 2022;50(4):15-26. (In Russian). doi: 10.17238/2226-2016-2022-4-15-26.
  6. Гольник В.Н., Пелеганчук В.А., Батрак Ю.М., Павлов В.В., Кирилова И.А. Замещение дефектов вертлужной впадины и бедренной кости с использованием импакционной костной пластики при ревизионном эндопротезировании тазобедренного сустава: клинический случай. Травматология и ортопедия России. 2023;29(3):102-109. doi: 10.17816/2311-2905-8008. Golnik V.N., Peleganchuk V.A., Batrak Y.M., Pavlov V.V., Kirilova I.A. Reconstruction of Acetabular and Femoral Bone Defects With Impaction Bone Grafting in Revision Hip Arthroplasty: A Case Report. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2023;29(3): 102-109. (In Russian). doi: 10.17816/2311-2905-8008.
  7. Colo E., Rijnen W.H., Schreurs B.W. The biological approach in acetabular revision surgery: impaction bone grafting and a cemented cup. Hip Int. 2015;25(4): 361-367. doi: 10.5301/hipint.5000267.
  8. Fosse L., Muller S., Rønningen H., Irgens F., Benum P. Viscoelastic modelling of impacted morsellised bone accurately describes unloading behaviour: an experimental study of stiffness moduli and recoil properties. J Biomech. 2006;39(12):2295-2302. doi: 10.1016/j.jbiomech.2005.07.014.
  9. Lunde K.B., Skallerud B. The modified cam clay model for constrained compression of human morsellised bone: effects of porosity on the mechanical behaviour. J Mech Behav Biomed Mater. 2009;2(1):43-50. doi: 10.1016/j.jmbbm.2008.02.004.
  10. Cornu O., Schubert T., Libouton X., Manil O., Godts B., Van Tomme J. et al. Particle size influence in an impaction bone grafting model. Comparison of fresh-frozen and freeze-dried allografts. J Biomech. 2009;42(14): 2238-2242. doi: 10.1016/j.jbiomech.2009.06.045.
  11. Voor M.J., Nawab A., Malkani A.L., Ullrich C.R. Mechanical properties of compacted morselized cancellous bone graft using one-dimensional consolidation testing. J Biomech. 2000;33(12):1683-1688. doi: 10.1016/s0021-9290(00)00156-1.
  12. Albert C., Masri B., Duncan C., Oxland T., Fernlund G. Impaction allografting – the effect of impaction force and alternative compaction methods on the mechanical characteristics of the graft. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2008;87(2):395-405. doi: 10.1002/jbm.b.31117.
  13. Voor M.J., White J.E., Grieshaber J.E., Malkani A.L., Ullrich C. Impacted morselized cancellous bone: mechanical effects of defatting and augmentation with fine hydroxyapatite particles. J Biomech. 2004; 37(8):1233-1239. doi: 10.1016/j.jbiomech.2003.12.002.
  14. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твёрдого тела. Москва: Наука; 1979. 744 с. Rabotnov Yu. N. Mechanics of a deformable solid body. Moscow: Nauka; 1979. 744 p. (In Russian).
  15. Ишманов М.Ю., Сертакова А.В., Соловьев А.М., Федяшина Н.А., Щербакова Е.В. Исследование крови. В кн.: 250 показателей здоровья. Научная книга; 2013. Гл 1. 718 c. Ishmanov M.Yu., Sertakova A.V., Soloviev A.M., Fedyashina N.A., Shcherbakova E.V. Blood test. In: 250 health indicators. Scientific book; 2013. Ch 1. 718 p. (In Russian).
  16. Borland W.S., Bhattacharya R., Holland J.P., Brewster N.T. Use of porous trabecular metal augments with impaction bone grafting in management of acetabular bone loss. Acta Orthop. 2012;83(4):347-352. doi: 10.3109/17453674.2012.718518.
  17. DeLee J.G., Charnley J. Radiological demarcation of cemented sockets in total hip replacement. Clin Orthop Relat Res. 1976;(121):20-32.
  18. Phillips A.T., Pankaj, Brown D.T., Oram T.Z., Howie C.R., Usmani A.S. The elastic properties of morsellised cortico-cancellous bone graft are dependent on its prior loading. J Biomech. 2006;39(8):1517-1526. doi: 10.1016/j.jbiomech.2005.03.032.
  19. Sawicki A., Swidzinski W. Elastic moduli of non-cohesive particulate materials. Powder Technol. 1998;96(1):24-32. doi: 10.1016/S0032-5910(97)03354-8.
  20. Ornstein E., Franzén H., Johnsson R., Sandquist P., Stefánsdóttir A., Sundberg M. Migration of the acetabular component after revision with impacted morselized allografts: a radiostereometric 2-year follow-up analysis of 21 cases. Acta Orthop Scand. 1999;70(4):338-342. doi: 10.3109/17453679908997821.
  21. Mohaddes M., Herberts P., Malchau H., Johanson P.E., Kärrholm J. High proximal migration in cemented acetabular revisions operated with bone impaction grafting; 47 revision cups followed with RSA for 17 years. Hip Int. 2017;27(3):251-258. doi: 10.5301/hipint.5000452.
  22. Wilson M.J., Whitehouse S.L., Howell J.R., Hubble M.J.W., Timperley A.J., Gie G.A. The results of acetabular impaction grafting in 129 primary cemented total hip arthroplasties. J Arthroplast. 2013;28(8):1394-1400. doi: 10.1016/j.arth.2012.09.019.
  23. Slooff T.J., Schimmel J.W., Buma P. Cemented fixation with bone grafts. Orthop Clin North Am. 1993;24(4): 667-677.
  24. Linder L. Cancellous impaction grafting in the human femur: histological and radiographic observations in 6 autopsy femurs and 8 biopsies. Acta Orthop Scand. 2000;71(6):542-552. doi: 10.1080/000164700317362154.
  25. Dunlop D.G., Brewster N.T., Madabhushi S.P., Usmani A.S., Pankaj P., Howie C.R. Techniques to improve the shear strength of impacted bone graft: the effect of particle size and washing of the graft. J Bone Joint Surg Am. 2003;85(4):639-646. doi: 10.2106/00004623-200304000-00009.
  26. Toms A.D., Barker R.L., Jones R.S., Kuiper J.H. Impaction bone-grafting in revision joint replacement surgery. J Bone Joint Surg Am. 2004;86(9):2050-2060. doi: 10.2106/00004623-200409000-00028.
  27. Brewster N.T., Gillespie W.J., Howie C.R., Madabhushi S.P., Usmani A.S., Fairbairn D.R. Mechanical considerations in impaction bone grafting. J Bone Joint Surg Br. 1999;81(1):118-124. doi: 10.1302/0301-620x.81b1.8480.
  28. Kuiper J.H., Merry J.C., Cheah K., Richardson J.B. Graft composition influences early mechanical stability in impaction grafting. Trans EORS. 1996;6:45.
  29. Putzer D., Mayr E., Haid C., Reinthaler A., Nogler M. Impaction bone grafting: a laboratory comparison of two methods. J Bone Joint Surg Br. 2011;93(8):1049-1053. doi: 10.1302/0301-620X.93B8.26819.
  30. Phillips A.T.M., Pankaj P., Usmani A.S., Howie C.R. Numerical modelling of the acetabular construct following impaction grafting. In: 6th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, Madrid. 2004.
  31. Phillips A.T., Pankaj P., Howie C.R., Usmani A.S., Simpson A.H. 3D non-linear analysis of the acetabular construct following impaction grafting. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2006;9(3):125-133. doi: 10.1080/10255840600732226.
  32. Nele W., Martina F., Stefan R., Frank L., Georg M. Impaction bone grafting for segmental acetabular defects: a biomechanical study. Arch Orthop Trauma Surg. 2023;143(3):1353-1359. doi: 10.1007/s00402-021-04296-y.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Scheme of testing xenobone for constrained compression in section: 1 — round platform; 2 — cylinder (hollow or with holes); 3 — xenograft specimen; 4 — stamp; 5 — load of 1500 N applied to the specimen

Download (295KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. Specimen No. 4 in a cylinder with holes and with the addition of an aqueous glycerol solution simulating blood in the experiment

Download (755KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. Cyclic loading of specimen No. 2 in 6 stages

Download (997KB)
Indexing metadata
5. Figure 4. Stress-strain diagram for specimens under single-stage compression

Download (438KB)
Indexing metadata
6. Figure 5. Instantaneous elastic moduli and relative volume change depending on the number of cycles

Download (361KB)
Indexing metadata
7. Figure 6. Plain X-ray of the pelvis of patient 1. Signs of loosening of the pelvic and femoral components of the left hip joint endoprosthesis and femoral osteolysis on the left are observed

Download (586KB)
Indexing metadata
8. Figure 7. Clinical example of the pelvic component migration in patient 1 without subsequent loosening: a — after surgery; b — in 3 years; c — in 7 years (proximal and lateral displacement, increased inclination, change in anteversion)

Download (976KB)
Indexing metadata
9. Figure 8. Plain X-ray of the pelvis of patient 2. Signs of loosening of the pelvic and femoral components of the left hip joint endoprosthesis and femoral osteolysis on the left are observed

Download (644KB)
Indexing metadata
10. Figure 9. Clinical example of the pelvic component migration with subsequent loosening: a — after surgery; b — in 1 year; c — in 5 years (shift of the rotation center proximally and outward, increased inclination, decreased anteversion)

Download (780KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».