Design and strength analysis of a novel spherical hinge bio-Implant for the Human Metacarpophalangeal Finger Joint 

Technische Samenvatting: Ontwerp en Sterkteanalyse van een Nieuw Sferisch Scharnier Bio-implantaat voor het Menselijke Metacarpofalangeale Vingergewricht

Probleemstelling
Het metacarpofalangeale (MCP) gewricht is cruciaal voor de handfunctie, omdat het grijpen, knijpen en schrijven mogelijk maakt. Aandoeningen zoals reumatoïde artritis en artrose brengen echter de gewrichtsmobiliteit en -sterkte ernstig in gevaar. Hoewel artroplastiek met eenstuk flexibele implantaten (zoals de Swanson, Avanta en Neuflex) een standaardbehandeling is, kampen bestaande ontwerpen met beperkingen. Klinische gegevens wijzen op hoge breukpercentages (tot 67% voor Swanson-implantaten) en spanningsconcentraties bij de verbinding tussen het scharnier en de steel of bij het centrale scharnier. Bovendien blijft de functionele bewegingsuitslag (ROM) die huidige implantaten bereiken vaak achter bij de capaciteit van het natuurlijke gewricht (ongeveer 90° flexie), en is er een gebrek aan uitgebreide studies die de vermoeidheidsduur en sterkte van deze flexibele bio-implantaten voorspellen.

Methodologie
Dit onderzoek richt zich op het ontwerp en de eindige elementenanalyse (FEA) van een nieuw eenstuk flexibel implantaat met een sferisch scharnier, bedoeld om het rechthoekige box-type scharnier van het Neuflex-implantaat te vervangen.

• Ontwikkeling van het ontwerp: Een 3D-model van het nieuwe implantaat werd ontwikkeld in SolidWorks. Belangrijke ontwerpkenmerken zijn:

  • Sferisch Scharnier: Vervangt het box-type scharnier om het natuurlijke sferische vorm van de metacarpale kop beter na te bootsen en potentieel de peesmomentarm te verbeteren.
  • Uitsparingen: Een elliptische uitsparing aan de bovenzijde van het scharnier vergemakkelijkt hyperextensie, terwijl een omgekeerde 'V'-uitsparing aan de onderzijde de flexie vergemakkelijkt.
  • Pre-flexie: De steel is vooraf gebogen met 30° om de natuurlijke rustpositie van de vinger te repliceren, wat de spanning tijdens beweging vermindert.
  • Afmetingen: Het model maakt gebruik van afmetingen gebaseerd op het Swanson-implantaat (Grootte 7) en anatomische gegevens van metacarpalia en proximale phalanges om vergelijkbaarheid met bestaande literatuur te waarborgen.

• Materiaal en Simulatie:

  • Materiaal: Medische graad Anasil siliconenrubber werd gemodelleerd met behulp van het twee-parameters Arruda-Boyce hyperelastische constitutieve model om het incompressibele gedrag bij grote vervormingen te verklaren.
  • Meshing: Een 10-knopen kwadratisch tetraëdrisch element (C3D10H) met een hybride formulering werd gebruikt, waarbij een fijn mesh werd toegepast op de kritieke scharnierregio.
  • Randvoorwaarden: De metacarpale steel werd volledig vastgezet. De proximale steel werd gekoppeld aan een referentiepunt bij het middelpunt van het scharnier, dat beperkt was tot rotatie rond de z-as.
  • Belasting: Verplaatsingsbelasting werd toegepast om realistische gewrichtsbewegingen te simuleren: 30° hyperextensie gevolgd door flexie van de neutrale positie (30°) naar 90°.
  • Vermoeidheidsanalyse: De vermoeidheidsduur werd voorspeld met behulp van de FE-SAFE/Rubber plug-in (Endurica solver) binnen ABAQUS, met de focus op flexiecycli.

Belangrijkste Bijdragen

1. Nieuw Ontwerp: Introductie van een sferische scharniergeometrie met specifie-ke uitsparingen om de bewegingsuitslag en anatomische getrouwheid te verbeteren ten opzichte van het standaard box-type scharnier.
2. Vergelijkende Spanningsanalyse: Een directe eindige elementenvergelijking tussen het nieuwe sferische scharnier en het Neuflex-implantat onder identieke belastingsomstandigheden.
3. Voorspelling van de Vermoeidheidsduur: Gebruik van gespecialiseerde rubber vermoeidheidssolvers om de cyclusduur van het nieuwe ontwerp versus het Neuflex-implantat te schatten, een metriek die vaak ontbreekt in eerdere studies naar flexibele implantaten.

Resultaten
De eindige elementenanalyse leverde de volgende kwantitatieve vergelijkingen op tussen het nieuwe sferische scharnier-implantat en het Neuflex-implantat:

• Spanningsreductie:

  • Tijdens hyperextensie (30°) vertoonde het nieuwe implantaat een maximale von Mises-spanning van 0,705 MPa, vergeleken met 0,922 MPa voor het Neuflex-implantat, wat een reductie van 23,54% betekent.
  • Tijdens flexie (90°) vertoonde het nieuwe implantaat een maximale von Mises-spanning van 2,106 MPa, vergeleken met 3,121 MPa voor het Nelex-implantat, wat een reductie van 32,52% betekent.
  • In beide gevallen bleef de hoogste spanning geconcentreerd in de centrale scharnierregio, maar was de magnitude significant lager in het nieuwe ontwerp.

• Reactiemomenten:

  • Het reactiemoment tijdens hyperextensie was 43,49% lager in het sferische implantaat (4,17 N-mm) vergeleken met de Nelex (7,38 N-mm).
  • Het reactiemoment tijdens flexie was 36,49% lager in het sferische implantaat (7,69 N-mm) vergeleken met de Nelex (12,11 N-mm).

• Vermoeidheidsduur:

  • De vermoeidheidsanalyse gaf een Log-Life waarde van 9,225 voor het sferische implantaat versus 5,627 voor de Nelex.
  • Dit vertaalt zich naar een vermoeidheidsduur van ongeveer $10^{9,225}$ cycli voor het nieuwe ontwerp, wat de $10^{5,627}$ cycli van het Nelex-implantat aanzienlijk overtreft.

Betekenis en Claims
Het artikel concludeert dat het nieuwe sferische scharnierontwerp superieure mechanische prestaties biedt vergeleken met het Nelex-implantat. Specifiek vertoont het ontwerp:

• Verbeterde sterkte door aanzienlijk lagere von Mises-spanningen tijdens zowel extensie als flexie.
• Verminderde reactiemomenten, wat duidt op minder weerstand tegen beweging en potentieel minder stress op het omliggende bot en weefsel.
• Een aanzienlijk langere voorspelde vermoeidheidsduur, wat wijst op een grotere duurzaamheid onder repetitieve belasting.

De auteurs stellen dat deze bevindingen suggereren dat het sferische scharnierimplant een levensvatbare kandidaat is voor vingerartroplastiek met verbeterde sterkte en levensduur. De auteurs merken echter bescheiden op dat deze resultaten gebaseerd zijn op simulaties. Er wordt expliciet gesteld dat experimenteel onderzoek vereist is om het ontwerp te valideren voor praktische klinische toepassing. Bovendien identificeren de auteurs de zoektocht naar alternatieve biocompatibele elastomeren met superieure mechanische eigenschappen als een noodzakelijke toekomstige scope om de levensduur van het implantaat verder te verbeteren.