A biomechanical evaluation of cast porous Ti-6Al-7Nb implants for orthopedic applications by using a comparative finite element analysis

Abstract

Over the past decade, new developed and refined titanium casting technologies make it possible to produce dental and medical implants. Avoiding impurities and changes of the surface layer by α case formation are major challenges in titanium casting. In this context, the present results show the effect of four types of investments on the α case layer of Ti67-castings. In brief, Y2O3 based investment materials are a reliable and promising choice for the production of titanium castings compared to Invest-Ti-T, Al2O3 and ZrSiO4 based investment materials, although the processing of this material is comparatively difficult. It can be concluded that an α case layer with a suitable thickness has a positive effect on titanium castings and can help to improve mechanical properties such as Young’s modulus, flexure stress, and fatigue resistance. In the light of these results, 15 µm was determined as a critical thickness value for an α case layer. The main objective of this study was to evaluate the implant stability numerically after four weeks and six months implantation time for rat and sheep implants, respectively. The FEA was performed to simulate biomechanical push-out tests. The simulated average maximum push-out forces are higher than the experimentally measured values. Both 3D model curves reach the maximum push-out force at larger displacements. The computationally predicted stiffness values for both 3D models exhibited a high agreement with the experimentally calculated stiffness. The second stage of 2D model curves were similar to that of measured curves. However, no clear non-linear behavior was observed for both 3D model curves. Meanwhile, 2D models showed a uniform and continuous sliding stage, while implants eluding occurred faster and sliding stages curves were narrow in 3D models. Even though different stress magnitudes were obtained for both groups of rat and sheep implants, the stress distribution at the bone interface was similar. It can be concluded that 3D simulations were more sensitive than the 2D FE analyses. It should be noted that a detailed bone model is crucial and unit cell assumptions enhances the accuracy of FE analyses. Elongated tetrakaidecahedron unit cells improved the prediction of cancellous bone behavior and the highest accuracy of FE prediction was also achieved. FEA results allow to make statements about the average behavior of the implant bone interface. High correlations were found between push-out strength as estimated from FE and the experimentally measured push-out strength.

In den letzten Jahrzehnten, ermöglichen neu entwickelte und verfeinerte Titan-Gusstechnologien die Herstellung verschiedenen Zahn- und medizinischer Implantate. Allerdings sind noch viele praktische Probleme zu lösen. Vermeidung der Verunreinigungen und Veränderungen der Oberflächenschicht durch α-Case Bildung sind große Herausforderungen in Titanguss. In diesem Zusammenhang umfassen die vorliegenden Ergebnisse die Auswirkung von vier verschiedenen keramischen Formmaterialien auf die Entstehung der α- Case-Schicht von Ti67-Gussteilen. In Kürze, Y2O3-basierte Formmaterialien sind eine zuverlässige und vielversprechende Wahl für die Herstellung von Titan-Gussteilen im Vergleich zu Invest-Ti-T-, Al2O3- und ZrSiO4-basierten Formmaterialien, obwohl die Verarbeitung dieses Materials vergleichsweise schwierig ist. Es lässt sich feststellen, dass eine α-Case-Schicht mit einer optimalen Dicke einen positiven Effekt auf Titan-Gussteile hat und dazu beitragen kann, die mechanischen Eigenschaften wie den Elastizitätsmodul, die Biegebeanspruchung und die Ermüdungsbeständigkeit zu verbessern. Angesichts dieser Ergebnisse wurden 15 μm als kritischer Dickenwert für eine α-case Schicht bestimmt. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die Implantatstabilität nach vier Wochen und sechs Monaten Implantationszeit für Ratten bzw. Schafimplantate numerisch zu bewerten. Die FEA wurde durchgeführt, um biomechanische push-out Tests zu simulieren. Die simulierten durchschnittlichen maximalen push-out Kräfte sind höher als die experimentell gemessenen Werte. Beide 3D-Modellkurven erreichen die maximale push-out Kraft bei größeren Verschiebungen. Die rechnerisch vorhergesagten Steifigkeitswerte für beide 3D-Modelle zeigten ein hohes Übereinstimmung mit der experimentell festgestellten Steifigkeit. Die zweite Stufe der 2D-Modellkurven ähnelte denen der gemessenen Kurven. Für beide 3D-Modellkurven wurde jedoch kein klares, nichtlineares Verhalten beobachtet. Mittlerweile zeigten 2D-Modelle ein gleichmäßiges und kontinuierliches Gleitreibungsverhalten, während die Trennung der Implantate von Knochenaufbau schneller auftraten und Gleitreibungsverhaltenkurven in 3D-Modellen schmal waren. Obwohl für beide Gruppen von Ratten- und Schafimplantaten unterschiedliche Stressgrößen erhalten wurden, war die Spannungsverteilung an der Knochenoberfläche ähnlich. Es lässt sich feststellen, dass 3D-Simulationen empfindlicher waren als die 2D-FE-Analysen. Es ist anzumerken, dass ein detailliertes Knochenmodell entscheidend ist und die Einheitszell Annahme die Genauigkeit von FE-Analysen erhöht. Langgestreckte Tetrakaidecahedron-Einheitszellen verbesserten die Vorhersage des spongiösen Knochenverhaltens und die höchste Genauigkeit der FE-Vorhersage wurde ebenfalls erreicht. FEA-Ergebnisse erlauben es, Aussagen über das durchschnittliche Verhalten der Implantat-Knochen-Grenzfläche zu machen. Es wurden hohe Korrelationen zwischen der von FE geschätzten Push-out Festigkeiten und der experimentell gemessenen Push-out Festigkeiten gefunden.