Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Obróbka postprodukcyjna SLM wieloszpilkowej powierzchni rusztowania łączącego bezcementowych endoprotez powierzchniowych

Uklejewski R., Winiecki M., Birenbaum M., Rogala P., Patalas A.

Mechanik

|

2015

|

R. 88, nr 11

879--882

PL

Omówiono aspekty obróbki postprodukcyjnej techniką strumieniowo- ścierną wieloszpilkowej powierzchni – wytworzonego w przyrostowej technologii selektywnego topienia laserem (SLM – selective laser melting) – prototypowego rusztowania łączącego endoprotezy powierzchniowej stawu biodrowego mocowanej całkowicie bezcementowo. Endoproteza jest przeznaczona do artroplastyki powierzchniowej stawu biodrowego (THRA – total hip resurfacing arthroplasty), która polega na wymianie powierzchni stawowych bez uszkadzania szyjki i jamy szpikowej kości udowej. Trudności w pozbyciu się przylegających do powierzchni wieloszpilkowej skafoldu mikropozostałości w postaci nie w pełni przetopionych drobin proszku stopowego oraz różnokształtnych form rozpryskowych wymagały opracowania niestandardowych zadań technologicznych dotyczących ich usuwania, zwłaszcza z trudnodostępnych okolic wokół podstaw szpilek. W wyniku prowadzonych prób eksperymentalnych opracowano skuteczny wariant obróbki postprodukcyjnej z zastosowaniem indywidualnie dobranych mieszanki ściernej i parametrów prowadzenia procesu dla badanego prototypowego rusztowania stawowych endoprotez powierzchniowych.

EN

Presented are the aspects of post-production processing by abrasive blasting of multispiked surface of the manufactured in selective laser melting technology prototype of connecting scaffold of entirely cementless resurfacing hip endoprosthesis for total hip resurfacing arthroplasty. Problems occurred with disposition from the surface of multispiked scaffold of the adhering microremains in form of loose powder particles and number of non-melted particles of various shape which have required a customized process to be worked out, and in particular to remove such particles from the hard-to-reach scaffold areas near the spikes bases. As the result of the undertaken experimental trials the effective variant of post-production processing has been worked out for the prototype scaffold of resurfacing joint endoprostheses with use of the customized abrasive material mix and well-suited process parameters.

2

Wstępna ocena właściwości strukturalno-elektrycznych w zakresie niskich częstotliwości biomateriałowego modelu doświadczalnego kości długich w stanie patologicznym

Uklejewski R., Czapski T., Winiecki M.

Engineering of Biomaterials

|

2014

|

Vol. 17, no. 126

12--22

PL

Przedstawiono wyniki doświadczalnych badań porównawczych dotyczących metod wytworzenia biomateriałowego modelu kości długich w stanie patologicznym, tj. nie w pełni zmineralizowanych (stan osteomalacji) oraz o obniżonym kościotworzeniu (stan osteoporotyczny), otrzymanego na bazie wołowych kości udowych, z wykorzystaniem stosowanych w inżynierii biomateriałów metod częściowego odbiałczania i częściowego odwapniania. Ten biomateriałowi model kości długich jest niezbędny do prowadzenia doświadczalnych badań właściwości strukturalno--elektrycznych kości długich w celu zbudowania prototypowego systemu pomiarowo-obliczeniowego do wyznaczania gęstości i parametrów porosprężystych kości długich prawidłowych i osteoporotycznych oryginalną nieinwazyjną metodą elektroosteodensytometrii (zgłoszenie patentowe krajowe i międzynarodowe). Proces odbiałczania prowadzono porównawczo z użyciem roztworów NaOCl, H2O2, KOH i NaOH, natomiast proces odwapniania próbek kości wołowych prowadzono porównawczo z użyciem roztworów HNO3, HCl i EDTA oraz w mieszaninie roztworów HNO3 i HCHO. Zbadano kinetykę przeprowadzonych procesów, monitorując stężenia białka oraz wapnia w zastosowanych roztworach w funkcji czasu. Na podstawie zbadanych przebiegów procesów możemy obecnie zarekomendować do wytworzenia biomateriałowych modeli doświadczalnych kości długich w stanie patologicznym: o obniżonym kościotworzeniu – odbiałczanie z użyciem 7% roztworu nadtlenku wodoru (H2O2), a dla nie w pełni zmineralizowanych – odwapnianie z użyciem 0,5 M roztworu kwasu solnego (HCl). Przedstawiono pilotażowe wyniki doświadczalnej analizy właściwości strukturalno-elektrycznych biomateriałowego modelu kości długiej w stanie obniżonego kościotworzenia (badano trzy częściowo odbiałczone kości udowe wołowe) z wypełnieniem porów modelu wieloelektrolitowym płynem fizjologicznym Ringera, w zakresie niskich częstotliwości (od 20 Hz do 10 kHz) i w zależności od lokalizacji badanej próbki wzdłuż trzonu kości długiej. Stwierdzono, że: 1) wartości modułu impedancji elektrycznej jednostkowej |Z1| [Ω/cm] trzonu modelowej kości długiej osteoporotycznej maleją bardzo wyraźnie w funkcji częstotliwości w zakresie od 20 Hz do 500 Hz; od częstotliwości 500 Hz do 2 kHz zmiany wartości |Z1| są niewielkie, a powyżej częstotliwości 2 kHz wartość modułu impedancji jednostkowej |Z1| praktycznie nie zależy od zmian częstotliwości; 2) średnia wartość modułu impedancji elektrycznej jednostkowej |Z1| trzonu modelowej kości długiej osteoporotycznej okazała się względnie stała wzdłuż długości trzonu kości i wynosiła ok. 670 Ω/cm dla częstotliwości 100 Hz oraz ok. 630 Ω/cm dla częstotliwości 10 kHz. Otrzymane pilotażowe wyniki pomiarów parametrów elektrycznych określających właściwości strukturalno-elektryczne kości długich osteoporotycznych wymagają potwierdzenia na większej liczbie próbek trzonowo-kostnych częściowo odbiałczanych; planujemy też poszerzenie analizy doświadczalnej właściwości strukturalno--elektrycznych kości długich o obniżonej mineralizacji (częściowo odwapnionych).

EN

We present the results of a comparative experimental study on methods considered for the manufacture of a biomaterial model of long bones in a pathological state, i.e. insufficiently mineralized bone (osteomalacia) and reduced osteogenesis (osteoporosis), obtained from bovine femoral bone, using methods applied in the engineering of biomaterials such as partial deproteinization and partial demineralization. The biomaterial model is required for experimental research into the structural-electrical properties of long bones, which will be carried out to build a prototype for a measurement system for the evaluation of bone densitometry and poroelastic properties with the use of an original and non-invasive method of electroosseodensitometry (Polish and international patent applications). The kinetics of chemical bone deproteinization processes in NaOCl, H2O2, KOH and NaOH solutions and chemical bone demineralization processes in HNO3, HCl, EDTA solutions and in a mixture of HNO3 and HCHO were comparatively studied and the protein and calcium contents were monitored as a function of time. On the basis of the functional graphs obtained from the observed processes, we can currently recommend the following conditions for manufacturing a biomaterial model of long bones in a pathological state: deproteinization using a 7% solution of hydrogen peroxide (H2O2) to produce a model of bone in a state of reduced osteogenesis and decalcification with 0.5 M hydrochloric acid (HCl) to produce a model of insufficiently mineralized bone. The results of a pilot experimental analysis of the structural-electrical properties of the biomaterial model of long bones are presented for a state of reduced bone formation (osteoporotic; three partially deproteinized bovine femurs were examined). The bone pores of the model were filled with physiological multielectrolyte Ringer’s saline and assessed in a low frequency range (20 Hz to 10 kHz) as a function of the location of bone shaft samples along the diaphysis. It was found that: 1) values of the modulus of the unit electrical impedance |Z1| [Ω/cm] of the bone shaft of the model osteoporotic long bone decreased very clearly as a function of frequency in the range from 20 Hz to ca. 500 kHz; from a frequency of 500 Hz to 2 kHz, the changes in the |Z1| value were small, and above 2 kHz, the |Z1| value practically did not depend on frequency changes. 2) The mean value of the modulus of the unit electrical impedance |Z1| of the bone shaft of the model osteoporotic long bone was found to be relatively constant along the length of the bone shaft and was about 670 Ω/cm for a frequency of 100 Hz and about 630 Ω/cm for a frequency of 10 kHz. The results of the preliminary study on the structural-electrical properties of long bone shafts in a pathological (osteoporotic) state require confirmation in a full experimental study on a larger number of model osteoporotic long bones; we are also planning to extend the experimental analysis to the structural-electrical properties of long bones with impaired mineralization (partially decalcified).

3

Technological issues of additive manufacturing of preprototypes of the multispiked connecting scaffold for non-cemented resurfacing arthroplasty endoprostheses

Uklejewski R., Winiecki M., Rogala P.

Engineering of Biomaterials

|

2014

|

Vol. 17, no. 128-129

81--82

4

Computer aided stereometric evaluation of porostructural-osteoconductive properties of intra-osseous implant porous coatings

Uklejewski R., Winiecki M., Rogala P.

Metrology and Measurement Systems

|

2013

|

Vol. 20, nr 3

431--442

EN

The proper interaction of bone tissue - the natural porous biomaterial - with a porous coated intra-osseous implant is conditioned, among others, by the implant porous coating poroaccessibility for bone tissue adaptive ingrowth. The poroaccessibility is the ability of implant porous coating outer layer to accommodate the ingrowing bone tissue filling in its pore space and effective new formed bone mineralizing in the pores to form a biomechanically functional bone-implant fixation. The functional features of the microtopography of intra-osseous implant porous surfaces together with the porosity of pore space of the outer layer of the porous coating are called by bioengineers the porostructural-osteoconductive properties of the porous coated implant. The properties are crucial for successful adaptive bone tissue ingrowth and further long-term (secondary) biomechanical stability of the boneimplant interface. The poroaccessibility of intra-osseous implants porous coating outer layers is characterized by - the introduced in our previous papers - set of stereometric parameters of poroaccessibility: the effective volumetric porosity φVef, the index of the porous coating space capacity VPM, the representative surface porosity φSrep, the representative pore size pSrep, the representative angle of the poroaccessibility Ωrep and the bone-implant interface adhesive surface enlargement index ψ. Presented in this paper, an original method of evaluation of the porostructural-osteoconductive properties of intra-osseous implant porous coatings outer layer by means of the parameters of poroaccessibility was preliminary verified during experimental tests performed on the representative examples of porous coated femoral stems and acetabular cups of various hip endoprostheses. The computer-aided stereometric evaluation of the microstructure of implant porous coatings outer layer can be now realized by the authoring application software PoroAccess_1.0 elaborated in our research team in Java programming language.

5

Computer aided evaluation of poroaccessibility of porous coatings outer layer on intra-osseous implants

Uklejewski R., Winiecki M., Radomski W.

Engineering of Biomaterials

|

2011

|

Vol. 14, no. 109-111 spec. iss.

42--43

EN

The poroaccessibility of intra-osseous implant coating is the ability of the porous coating outer layer to accommodate the ingrowing bone tissue filling its pore space and effective new bone formation mineralizing in the pores to form biomechanically functional bone - implant fixation. The poroaccessibility determines the functional features of intra-osseous implant porous coating which are called its structural-osteoinductive properties [6, 8]. The structural-osteoinductive properties can be characterized by the set of three-dimensional parameters of poroaccessibility describing the functional properties of microgeometry of implant porous coatings: the effective volumetric porosity φ Vef , the index of the porous coating space capacity VPM, the representative surface porosity φ Srep, the representative pores size pSrep, the representative angle of the poroaccessibility Ωrep and the bone-implant interface adhesive surface enlargement index ψ [3,7,1]. The original method of stereometric evaluation of the microstructural properties of intra-osseous implants porous coatings by means of the parameters of poroaccessibility [4] is based the 3D roughness profilometry and was preliminary verified during experimental tests performed on the representative examples of porous coated femoral stems and acetabular cups of various hip endoprostheses [2,5,9]. In this paper we present the possibilities of computer aiding for evaluation of the poroaccessibility of porous coating outer layer of intra-osseous implants illustrated by the measurement data from the experimental tests performed on porous coated components of various hip endoprostheses. The computer aided evaluation of the microstructure of implant porous coatings can be realized b y t he authoring application software PoroAccess_1. 0 elaborated for our purposes in our research team in Java programming language. The screen of the application software is presented in FIG. 1. The PoroAccess_1.0 software lets to perform the dynamic analysis of the surface porosity φS in function of the pores depth pd which is showed as the map of porosity situated on the right side of the screen (see FIG. 1). The application software imports results from the series of contact profilometry measurements as the 2D matrices in ASC II format and calculates the values of the poroaccessibility parameters of porous coating outer layer according to the mathematical formulas given in [3,11]. The applications software also has the module enabling 3D visualization of measured region of porous coating outer layer as the isometric plot. The presented methodology provides the characterization of the effective part of porous coating – its outer layer, which is full of pores open for penetrating bone tissue with the diameter of many macro pores surpassing 100 μm. Such size of pores, according to clinical research [1], is beneficial for bone tissue to grow into the coating, so the pore space of the porous coating outer layer participates in creating biomechanically functional bone-porous implant fixation. The set of poroaccessibility parameters characterizes some major aspects of porous coating outer layer features. The parameters describe spatial (φVef, φSrep), volumetric (VPM), hybrid (pdef, ΩMMrep) and some functional (physicochemical) properties of implant porous coatings outer layer, e.g. enhancement of the adhesive properties (ψ), which can be indirectly interpreted in the aspect of its structural-osteoinductive properties [10]. The presented methodology of characterization of implant porous coatings with use of the poroaccessibility parameters is going to be applied as a specific tool in research on designing porous coatings with functionally graded pore distribution and designed poroaccessibility. Nowadays, the best potential to manufacture implant porous coatings with designed poroaccessibility have Direct Metal Manufacturing (DMM) technologies like Selective Laser Sintering / Melting (SLS/M) or Electron Beam Melting (EBM), so the next stage of this research is the investigation on the possibilities to manufacture the porous coating with designed poroaccessibility in one of DMM technologies. The biostructural evaluation of the manufactured in DMM technologies porous coatings together with its biological evaluation in NHOst cultures is expected to provide more information about the representative features of the microstructure of the porous coatings and allow to evaluate the most advantageous poroaccessibility of their pore spaces for potential bone tissue ingrowth to be verified in further in vivo test on animal models.

6

Projektowanie i kształtowanie przyrostowe minimalnie inwazyjnej endoprotezy powierzchniowej stawu biodrowego z wieloszpilkowym rusztowaniem łączącym

Uklejewski R., Rogala P., Winiecki M., Mielniczuk J.

Mechanik

|

2010

|

R. 83, nr 7

464-467

PL

W pracy przedstawiono tok projektowania i kształtowania przyrostowego minimalnie inwazyjnej endoprotezy powierzchniowej typu RA (Resurfacing Arthroplasty) stawu biodrowego. Nowy typ beztrzpieniowej endoprotezy stawu biodrowego przeznaczony jest do całkowitej artroplastyki powierzchniowej stawu biodrowego THRA (Total Hip Resurfacing Arthroplasty), polegającej na wymianie powierzchni stawowych bez uszkadzania szyjki i jamy szpikowej kości udowej. Całkowicie bezcementowe mocowanie powierzchni stawowych endoprotezy w kości okołostawowej zapewnia rusztowanie łączące w formie systemu szpilkowo-palisadowego.

EN

Presented is the process of design and incremental development work on the micro invasive Resurfacing Arthroplasty of the hip joint. This is a new model of the stemless Total Hip Resurfacing Arthroplasty THRA, which consists in replacement of the joint surfaces without any intervention to femoral neck or femoral marrow cavity.

7

Stereometryczna ocena strukturalno-osteoindukcyjnych właściwości porowatych pokryć implantów dokostnych za pomocą parametrów porodostępności

Uklejewski R., Winiecki M., Mielniczuk J., Rogala P.

Mechanik

|

2009

|

R. 82, nr 11

918-921

PL

Z biomechanicznego punktu widzenia właściwa współpraca elementów tworzących połączenie kości (naturalnego materiału porowatego) z porowatym implantem warunkowana jest m.in. porodostępnością porowatej warstwy pokrywającej implant dla adaptacyjnego wrastania w nią tkanki kostnej. Przez porodostępność należy rozumieć zdolność przestrzeni porów porowatej warstwy pokrywającej implant, do przyjęcia wrastającej w nią tkanki kostnej i utworzenia w ten sposób funkcjonalnego biomechanicznie połączenia porowaty implant-kość, co warunkowane jest wypełnieniem przestrzeni tych porów zmineralizowaną tkanką kostną. Przedstawiono sposób stereometrycznej oceny strukturalno-osteoindukcyjnych właściwości porowatych pokryć implantów dokostnych mocowanych bezcementowo. Zestaw parametrów, tzw. parametrów porodostępności [8, 16, 20], których wartości można wyznaczyć dokonując analizy struktury geometrycznej powierzchni w układzie 3D [9, 12] porowatych pokryć, umożliwia przeprowadzenie oceny właściwości, które cechują zdolność przestrzeni porowej porowatych pokryć implantów do przyjęcia wrastającej w nią tkanki kostnej i - w następstwie - utworzenia połączenia porowaty implant-kość.

EN

Presented is a method of three dimensional appraisal of the structural and osteoinductive properties of the bone graft coating materials when applied by means of non-cemented procedure.

8

Prototype of innovating bone tissue preserving THRA endoprosthesis with multi-spiked connecting scaffold manufactured in selective laser melting technology

Uklejewski R., Rogala P., Winiecki M., Mielniczuk J.

Engineering of Biomaterials

|

2009

|

Vol. 12, no. 87

2-6

EN

The paper presents the prototype of innovating bone tissue preserving THRA endoprosthesis with multi-spiked connecting scaffold - the main result of our research project: "Experimental investigation and design of the constructional properties of bone-porous implants fixations" (4T07C05629, Polish Ministry of Science, finished in February 2008) presented also as plenary lecture at the 18th International Conference "Biomaterials in Medicine and Veterinary Medicine" in Rytro (Poland), 2008. Three-dimensional selective laser melting (SLM), a direct metal manufacturing (DMM) technology from rapid prototyping/rapid manufacturing (PR/RM) group, was successfully applied to manufacture these prototypes of Ti6AI7Nb powder. We share our observations and remarks on the prototypes manufacturing in SLM laser additive technology.

9

Badania mikrostruktury porowatych pokryć modelowych implantów dokostnych

Uklejewski R., Winiecki M., Rogala P.

Engineering of Biomaterials

|

2009

|

Vol. 12, no. 89-91

112--114

10

Prototype of minimally invasive hip resurfacing endoprosthesis - bioengineering design and manufacturing

Uklejewski R., Rogala P., Winiecki M., Mielniczuk J.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2009

|

Vol. 11, nr 2

65-70

EN

The resurfacing arthroplasty (RA) has become at present the most developed minimally invasive kind of all total arthroplasties, which is a result of the progress in biomaterials engineering, biomechanical design and surgical fixation methods achieved over the past decade. Despite the raising popularity of RA, which undergoes at present its renaissance, it still causes several clinical complications. In this paper, we present the most important result our research project (4T07C05629), finished in February 2008, which is the prototype of original minimally invasive endoprosthesis for total hip resurfacing arthroplasty (THRA). We propose the essential innovation in fixation technique of the RA endoprosthesis components in trabecular bone by means of the multi-spiked connecting scaffold, offering the possibility of totally cementless fixation and the physiological blood supply in trabecular bone of femoral head, which is not possible in contemporary used cemented RA endoprostheses. Moreover, the femoral component is designed to preserve the femoral neck and head blood vessels. The prototype of the new kind of hip resurfacing endoprosthesis was CAD-designed in the frames of the Rogala's international patent general assumptions (1)-(3), optimized on the basis of the preliminary biomechanical tests on the pre-prototypes, and manufactured in the Selective Laser Melting (SLM) of both CoCrMo powder and Ti6Al7Nb powder.

11

The poroaccessibility parameters for three-dimensional characterization of orthopaedic implants porous coatings

Uklejewski R., Winiecki M., Mielniczuk J., Rogala P., Auguściński A.

Metrology and Measurement Systems

|

2008

|

Vol. 15, nr 2

215-226

EN

The ability of formation of the proper bone-porous implant fixation depends, among others, on the structural-osteoinductive properties of the porous coating covering the orthopaedic implant surface. These properties, describing the poroaccessibility of porous biomaterial, are one of co-factors conditioning the promotion of bone tissue ingrowth into pore space of implant porous coating. So far the structural-osteoinductive properties of implants porous coatings are described by the traditional two-dimensional roughness parameters obtained with contact or non-contact roughness profile measurement (mostly standard surface roughness amplitude parameters e.g.: Ra, Rq, Rmax) or with the average pore size, which is, in the authors opinion, inadequate and unsatisfactory for porous coating characterization in respect of its poroaccessibility. The lack of proper directives on porous structure characterization of titanium and hydroxyapatite coatings on orthopaedic implants is the reason to work them out. In connection with the development of methods for surface texture analysis in three dimensions, the authors have perceived new possibilities for porous coatings microstructure analysis and on this base a set of parameters of poroaccessibility of implant porous coating for bone tissue ingrowth has been proposed: the effective volumetric porosity ΦVef, the index of the porous coating space capacity VPM, the representative surface porosity ΦSrep, the representative pore size pSrep, the representative angle of the poroaccessibility Ωrep and the bone-implant interface adhesive surface enlargement index Ψ. With this set of parameters one can characterize the structural-osteoinductive properties of porous biomaterial. In this paper a new set of poroaccessibility parameters of implant porous coatings and a method of calculation of these parameters on the basis of three-dimensional roughness measurements are presented.

12

Structural Bone-Implant Compatibility in Design of the Needle-Palisade Fixation System for Total Hip Resurfacing Arthroplasty Endoprosthesis

Rogala P., Uklejewski R., Winiecki M., Mielniczuk J.

Machine Dynamics Problems

|

2008

|

Vol. 32, No. 2

57-62

EN

The paper presents results of the experimental investigations on the structural compatibility in bone-implant fixation on the needle-palisade fixation system prototype of the cementless THRA (total hip resurfacing arthroplasty) endoprosthesis (Rogala's patents, 1999, Rogala, Uklejewski, 2006, Rogala, Uklejewski et al., 2006,). The main purpose of this research was to design the geometrical constructional properties of the needle-palisade fixation system for the prototype of the THRA endoprosthesis assigned for pre-clinical in vivo tests on animals. The most advantageous needle variant in aspect of its fit to the porosity of the inter-trabecular space of animal bone was proposed on the base of SEM observations and measurements of microstructure of trabecular bone from femoral head. There are also presented results of the needle-palisade fixation system optimization. The optimization was performed with the use of "the trabecular bone marrow lacunae and needles coincidence index" defined as number of needle's peaks covering the pores of the inter-trabecular porosity compartment of bone to total number of needles in the needle-palisade fixation system reproduced on the SEM micrographs of the trabecular bone from animal femur head.

13

Laser Forming vs. Electrical Discharge Machining of Needle-Palisade Fixation Systems for Cementless THRA Endoprosthesis Preprototypes

Rogala P., Mielniczuk J., Uklejewski R., Winiecki M., Auguściński A., Berdychowski M.

Machine Dynamics Problems

|

2008

|

Vol. 32, No. 1

80-87

EN

This paper presents results of prototyping of cementless THRA endoprosthesis with needle-palisade fixation system designed within the framework of the research project No 4 T07C 056 29. There are presented main instructions for modelling and prototyping according to Rogala's patents (Rogala, patents, 1999). CAD models present fragments of the needle-palisade fixation system, semicircle shaped fragments of the endoprosthesis and preprototype of total THRA endoprosthesis. The modelled elements were saved as STL format and printed with SLA. To verify the possibility of manufacturing of needle-palisade fixation system of the Rogala's cementless THRA endoprosthesis various samples of the fixation system were manufactured by one of direct metal manufacturing (DMM) technology - Selective Laser Melting (SLM). Fragments of needle-palisade fixation system were also manufactured by Electrical Discharge Machining (EDM). The paper presents the variety of designed samples and remarks concerning the producibility the needdle-palisade fixation manufacturing with the considered technologies.

14

Współczesne trendy w bioinżynierskim projektowaniu małoinwazyjnych endoprotez stawów

Uklejewski R., Rogala P., Winiecki M., Mielniczuk J., Auguściński A., Berdychowski M.

Engineering of Biomaterials

|

2008

|

Vol. 11, no. 77-80

32--33

PL

Obecnie badania, zarówno bioinżynierskie jak i kliniczne, w zakresie endoprotezowania stawów prowadzone są dwutorowo: 1) w kierunku doskonalenia strukturalnych i osteoindukcyjnych właściwości powierzchni implantów współpracujących z kością i porowatych pokryć elementów endoprotez mocowanych bezcementowo oraz aktualnie nastąpił 2) renesans tzw. ‘kapoplastyki powierzchniowej’ – polegającej na wymianie powierzchni stawowych, np.: powierzchni panewkowej i udowej stawu biodrowego bez uszkadzania kości gąbczastej głowy i szyjki kości udowej oraz przynasady i kanału szpikowego. Współczesne trendy w bioinżynierskim projektowaniu małoinwazyjnych endoprotez stawów przedstawiono 1) na tle przeglądu historycznych rozwiązań tradycyjnych długotrzpieniowych endoprotez stawu biodrowego i krytycznej charakterystyki obecnie stosowanych endoprotez powierzchniowych stawu biodrowego oraz 2) na podstawie współczesnego dwufazowego porosprężystego modelu biomechanicznego kości. W szczególności zaprezentowano biomechaniczne założenia i prototypy nowego rodzaju małoinwazyjnej, mocowanej całkowicie bezcementowo, endoprotezy powierzchniowej z oryginalnym systemem mocującym zaprototypowanym metodą Stereolitografii (SLA), zob. RYS. 1, oraz wytworzonym metodą selektywnego stapiania proszków wiązką lasera (SLM). Prototypy endoprotezy zostały zaprojektowane i wytworzone w ramach zakończonego w lutym 2008 roku naszego projektu badawczego nr 4 T07C 056 29: pt.: „Badanie i projektowanie cech konstrukcyjnych połączeń porowatych implantów ortopedycznych z kośćmi”. Całkowita endoproteza powierzchniowa THRA (total hip resurfacing arthroplasty) ze szpilkowo-palisadowym systemem mocowania powierzchni stawowych oparta jest na koncepcji P. Rogali (patent europejski nr 072418B1: “Endoprothesis”, patent USA nr 5,91,759: “Acetabulum endoprothesis and head”, patent kanadyjski nr 2,200,064, 2002). Rozwiązanie to proponuje radykalną zmianę techniki mocowania elementów endoprotezy w kości. Umożliwia bezcementowe (bez użycia kleju kostnego) zamocowanie endoprotezy stawu metodą press-fit przez sukcesywne wprowadzanie wielobocznych igieł w kość gąbczastą (np. głowy kości udowej) na określoną głębokość pozwalając, aby pozostała przestrzeń pomiędzy tymi igłami wypełniana została przez narastającą kość. Ponadto rozwiązanie to zakłada łatwiejszą operację rewizyjną endoprotezy oraz znaczne zwiększenie współpracy adhezyjnej pomiędzy implantem a kością, co ma szczególne znaczenie w przypadku osteoporozy, a także zachowanie fizjologicznej możliwości przenoszenia obciążenia w stawie przez głowę kości udowej do kości gąbczastej i następnie do kości korowej bliższej nasady, co pozwoli na redukcję zjawiska stress shielding i promocję adaptacyjnego wrastania tkanki kostnej w przestrzeń międzyszpilkową endoprotezy.

EN

Currently the bioengineering and clinical research on joint endoprostheses is proceeding in two directions: 1) to improve the structural and osteoinductive properties of implant surfaces and porous coatings of cementless endoporostheses elements, and 2) there have occurred the renaissance of so-called “capoplasty of joints” (resurfacing arthroplasty RA) – the procedure of replacement of joint articular surfaces e.g. in hip joint replacement of acetabulae and femoral head articular surfaces, preserving the femoral neck, the epiphyseal cancellous bone and femoral marrow canal. The modern trends in the bioengineering design of low-invasive joint endoprotheses are presented 1) on the historical review background of various models of traditional long-stem hip endoprotheses including critical review of contruction of contemporary used resurfacing hip endoprostheses, and 2) on the basis of modern two-phase poroelastic biomechanical model of bone. In particular the biomechanical principles and prototypes of new kind of low-invasive, totally cementless hip resurfacing endoprosthesis with original (grounding) fixation system manufactured by SLA (Stereolitography), see FIG. 1, and by SLM (Selective Laser Melting) technology are presented. The prototypes of the endoprosthesis were designed and manufactured within the framework of the finished in February 2008 our research project no 4 T07C 056 29: “Experimental investigation and design of the constructional properties of bone-porous implant fixation”. This total hip resurfacing endooprosthesis with original needle-palisade fixation system, based on the concept by P. Rogala (European patent no 072418 B1: “Endoprothesis”, US patent no 5,91,759: “Acetabulum endoprothesis and head”, Canadian patent no 2,200,064, dated 2002) proposes radical change in fixation technique of the endoprosthesis components in bone. It presents 1) close-to-natural grounding way – without use of bone cement – safer operative procedure-press-fit technique by the successive introduction of multilateral needles into the spongy bone (the remaining free space between needles is filled up by ingrowing new formed bone tissue), 2) easier revision arthroplasty, 3) good adhesion system (important for example in case of osteoporosis), 4) cortical and cancellous load transmission system preventing the stress-shielding and promoting bone-tissue ingrowth.

15

Parametryczna ocena porowatych pokryć implantów dokostnych – przykładowe wyniki pomiarów reprezentatywnych trzpieni endoprotez stawu biodrowego

Uklejewski R., Winiecki M., Czapski T., Rogala P., Kochański J.

Engineering of Biomaterials

|

2008

|

Vol. 11, no. 77-80

101--103

16

Strukturalno-biomechaniczna zgodność w strefie połączenia kość-porowaty implant - na podstawie dwufazowego porosprężystego modelu biomechanicznego tkanki kostnej

Uklejewski R., Winiecki M., Rogala P., Mielniczuk J., Auguściński A., Stryła W.

Engineering of Biomaterials

|

2007

|

Vol. 10, no. 69-72

93-95

17

Metodyka badań właściwości mechatronicznych kości

Habdas P., Mielniczuk J., Uklejewski R., Winiecki M.

Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej. Maszyny Robocze i Transport

|

2006

|

Nr 60

61-66

PL

W pracy przedstawiono kość działającą jako przetwornik mcchalroniczny podczas obciążeń mechanicznych towarzyszących codziennej aktywności fizycznej organizmu. Podkreślono znaczenie badań potencjałów deforrnacyjnych kości SGPs dla współczesnej chirurgii ortopedycznej i rehabilitacji. Przedstawiono koncepcję badań osteopotencjałów opracowaną na podstawie badań literaturowych. Zaprezentowano projekt stanowiska badawczego, proces przygotowania próbek kości oraz oczekiwane wyniki.

EN

The paper describes porous bone matrix filled with intraosseous ionic fluid as mechatronic transducer. Authors present conception of experimental investigation of strain generated osteopotentials SGPs in bone developed on the basis of [6]. There was presented the m testing equipment, the method of preparation of specimens and the experiments results.

18

Badanie wpływu cech porostruktury warstwy wierzchniej implantów na wytrzymałość połączenia kość-implant

Bródka M., Mielniczuk J., Uklejewski R., Winiecki M.

Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej. Maszyny Robocze i Transport

|

2006

|

Nr 61

19-24

PL

W artykule przybliżono zagadnienia związane z badaniem granicznej wytrzymałości na ścinanie połączeń porowatych implantów ortopedycznych z kośćmi. Wskazano na możliwość doświadczalnej weryfikacji wpływu cech porostruktury warstwy wierzchniej implantu na wytrzymałość rozważanego połączenia z użyciem zastępczego modelu połączenia kość-implant. Przedstawiono wyniki wstępnych badań wpływu cech mikrogeometrii porostruktury warstwy wierzchniej implantu na jego wytrzymałość w połączeniu z kością, badania prowadzono za pomocą próby wypychania implantu z kości.

EN

The paper deals with problem of the examination of ultimate shear strength of bone-porous implant fixation. There is presented possibility of verification of the influence of porous coating microgeometric attributes on the bone-implant fixation shear strength with use of substitute model of the fixation. There are shown the results of the preliminary implant push out tests carried out on the presented model of the bone-implant fixation.

19

The Concept and Geometrical Model of Modern Endoprosthesis Concerning Minimal Invasive Total Hip Resurfacing Arthroplasty (THRA)

Rogala P., Uklejewski R., Winiecki M., Mielniczuk J., Auguściński A.

Machine Dynamics Problems

|

2006

|

Vol. 30, No. 4

89-96

EN

The needle-palisade fixation for total resurfacing arthroplasties of hip and other joints (e.g. knee joint) and the implantation method are presented. The needles are symmetrically spaced on the terminal surfaces of the endoprothesis up to a resistance edge on one portion of the endoprothesis and up to a resistance surface on a second portion of the endoprothesis. The area between multilateral needles will be filled up by new bone formation to the terminal surfaces. The endoprothesis also includes a glenoid cavity and a head which have round terminal surfaces with the multilateral needles placed. The projected multilateral needles have different lengths and mutually parallel axes which are perpendicular to the planes in which the round resistance edge of the glenoid cavity and resistance plane of the head are located. Each of needles is pyramidal. The total surface area of the needle-palisade fixation system is at least seven times greater than total surface area of head external surface and it is when the relation between radius and height of pyramid is about 1 to 5. The implantation method involves the successive introduction of multilateral needles into the spongy bone. The concept of the needle-palisade system for total hip replacement fixation presents: 1) safer operative procedure-press-fit technique, 2) easier revision arthroplasty, 3) good adhesion system (important for example in case of osteoporosis), 4) cortical and cancellous load transmission system, 5) "biological-like" fixation, expectable "life performance" solution, 6) uniform distribution of biomechanical forces. The geometrical model of the new concept of the endoprosthesis for total hip resurfacing arthroplasty created in Autodesk Inventor CAD system is presented. The model is assigned for further experimental researches, i.e.: FEM analysis, virtual simulation of endoprosthesis insertion and the productions of prototypes for biomechanical experiments and pre-clinical investigations.

20

Experimental Investigations on the Structural-Osteoinductive Properties of Porous Coatings on Orthopaedic Implants

Uklejewski R., Winiecki M., Mielniczuk J., Auguściński A., Rogala P.

Machine Dynamics Problems

|

2006

|

Vol. 30, No. 4

171-180

EN

The adaptive bone tissue ingrowth into the pore space of a porous coating on orthopaedic implants is influenced by the structural-osteoinductive properties of this coating. The effective bone tissue ingrowth determines the proper fixation of the porous implant in its bony surroundings. The adequate evaluation of the structural-adaptive compatibility of bone-implant interface can be performed on the basis of the two-phase poroelastic biomechanical model of bone tissue and of implant porous coatings with the set of original parameters characterizing the poroaccessibility of implant porous coatings: the effective volumetric porosity φVef, the index of the porous coating space capacity VPM, the effective pore depth ρdef, the representative surface porosity φSrep, the representative pore size ρSrep, the representative angle of the poroaccessibility Ωrep, the index of the enlargement of the adhesive surface of bone-implant interface Ψ, which is proposed in (Mielniczuk et al., 2006; Winiecki et al., 2006; Uklejewski et al., 2005a and 2005b; Winiecki, 2006) to the biostructural evaluation of the porous coated orthopedic implants. This paper presents the results of experimental investigations of the microgeometrical properties of implants porous coatings made with contact profile measurement on the representative examples of endoprostheses stems.