Numerical modeling of the adhesive contact at the bone-implant interface
Modélisation numérique du contact adhésif à l'interface os - implant
Résumé
Cementless implants have become more and more common for joint replacement anddental surgery. Initial stability is obtained during the surgery through a press fit processin the host bone, while long-term stability is obtained by bone growing around and intothe porous surface of the implant, a process called osseointegration. As debonding ofthe bone-implant interface due to aseptic loosening and insufficient osseointegration stilloccur and may have dramatic consequences, predicting implant stability and failure isone of the major goals in modern implant research.This work presents different 3D FE modeling approaches to model contact and initialand long-term stability of cementless implants using the example of a cylindrical implantand an acetabular cup implant (ACI).First, an approach to assess the initial stability of an ACI considering a realisticgeometry of a patient's hip, based on Coulomb's friction contact and standard FE, ispresented. The influence of different patient and implant-specific parameters is analyzedin order to determine optimal stability for different configurations and thus obtain theoptimal combination of the implant's surface roughness and the press-fit, based on apatient's bone quality.Second, a phenomenological model for the frictional contact behavior of debondingosseointegrated implants is developed. The classical Coulomb's law is extended froma constant to a varying friction coefficient, that models the transition from an unbroken(osseointegrated) to a broken (debonded) state, based on a state variable depending on thedeformation of the bone-implant interface. Thus, this model can account for the highertangential forces observed in osseointegrated implants compared to unbonded implants. Inaddition, a NURBS-enrichment approach for 3D contact elements is used for an efficientmodeling of the geometries and their contact. This model is applied to the torsionaldebonding of CSI and the results are compared to experimental data and to a previousanalytical model.Third, the modified Coulomb's law model is extended in normal direction consideringa cohesive zone model, to account for debonding in normal direction and allow for adhesivefriction. This model is applied to simulate secondary stability and debonding ofan ACI in different removal tests, and to determine the relevance of osseointegration andbiomechanical factors for long-term stability. The results are compared with the purelytangential model to identify the relevance of normal adhesion in the debonding of ACI.Last, two simple evolution laws for osseointegration based on initial stability is presentedto account for realistic and time-dependent osseointegration.Due to their generality, all models presented herein can be applied to all kinds of endosseousimplants or imperfectly bonded interfaces in general. Furthermore, the modelscan be coupled with remodeling algorithms or realistic loading data, to make simulationsand prognoses for the whole life cycle of an implant from the surgery, through bone remodelingand osseointegration, to long-term stability under cyclic loading.
Les implants osseux constituent actuellement l'approche thérapeutique la plus utilisée pour les réparer les articulations et les os endommagés. La stabilité initiale est obtenue pendant la chirurgie grâce à un processus d'ajustement serré dans l'os hôte, tandis que la stabilité à long terme est obtenue par la croissance osseuse autour et dans la surface poreuse de l'implant, un processus appelé ostéointégration. Comme le décollement de l'interface os-implant dû à un descellement aseptique et à une ostéointégration insuffisante se produit toujours et peut avoir des conséquences dramatiques, prédire la stabilité et l'échec de l'implant est l'un des objectifs majeurs de la recherche implantaire moderne. L'objectif de ce travail est de proposer plusieurs modélisations complémentaires ducontact adhésif à l'interface os-implant pendant et après la chirurgie. Premièrement, les déterminants biomécaniques de la stabilité primaire d'une cupule acétabulaire (ACI) sont présentés. Pour quantifier la stabilité primaire, l'insertion de l'ACI dans un hémi-bassin humain et le retrait ultérieur sont simulés. L'influence de différents paramètres spécifiques au patient et à l'implant sur la stabilité primaire est discutée. Sur la base de la rigidité osseuse d'un patient, des combinaisons optimales de l'ajustement serré et du coefficient de frottement peuvent être identifiées pour assurer unestabilité initiale optimale.Deuxièmement, un modèle phénoménologique du comportement de contact frictionneldes implants ostéointégrés décollés est développé. La loi de Coulomb classique est étendued'un coefficient de frottement constant à un coefficient de frottement variable, qui modélisela transition d'un état ininterrompu (ostéo-intégré) à un état cassé (délié), basé sur unevariable d'état dépendant de la déformation de l'interface os-implant. Ce modèle estappliqué au décollement en torsion des implants de forme cylindrique et les résultats sontcomparés aux données expérimentales et à un modèle analytique précédent.Troisièmement, le modèle de loi de Coulomb modifié est étendu dans la direction normaleen considérant un modèle de zone cohésive, pour tenir compte du décollement dansla direction normale et tenir compte du frottement adhésif. Ce modèle est appliqué poursimuler la stabilité secondaire et le décollement d'un ACI dans différents tests de retrait,et pour déterminer la pertinence de l'ostéointégration et des facteurs biomécaniques pourla stabilité à long terme.Enfin, deux lois d'évolution simples pour l'ostéointégration basée sur la stabilité initialesont présentées pour rendre compte d'une ostéointégration réaliste et dépendante dutemps.En raison de leur généralité, tous les modèles présentés dans ce travail peuvent être appliquésà toutes sortes d'implants osseux ou plus généralement d'interfaces imparfaitementcollées. De plus, les modèles peuvent être couplés à des algorithmes de remodelage ou àdes données de chargement réalistes, pour mener à bien des simulations et des pronosticspour tout le cycle de vie d'un implant depuis la chirurgie, en passant par le remodelageosseux et l'ostéointégration, jusqu'à la stabilité à long terme sous chargement cyclique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)