Abstract
It is known that among many factors, relative micromotion at bone/implant interfaces can hinder bone ingrowth into surface pores of an implant. Loading conditions, mechanical properties of spinal materials, friction coefficients at the interfaces and geometry of spinal segments would affect the relative micromotion and spinal stability. A finite clement model of the human lumbar spine segments (L4-L5) was constructed to investigate the mechanical sensitivity at the interfaces between bone and cage. Relative micromotion. Posterior axial displacement. bone stress, cage stress and friction force were predicted in changes of friction coefficients, loading conditions. bone density and age-related material/geometric properties of the spinal segments. Relative micromotion (slip distance in a static loading means relative micromotion in routine activity) at the interfaces increased significantly as the mechanical properties of cancellous bone, annulus fibers or/and ligaments decrease or/and as the friction coefficient at the interfaces decreases. The contact normal force at the interfaces decreased as cancellous bone density decreases or/and as the friction coefficient increases A significant increase of slip distance at anterior annulus occurred with an addition of torsion to compressive preload. Relative micromotion decreased with an increase of disc area. In conclusion. relative micromotion, stress response. Posterior axial displacement and contact normal force are sensitive to the friction coefficient of the interfaces, bone density, loading conditions and age-related geometric/material changes.
뼈의 성장에 미치는 많은 요소들 중에서 implant의 상대적인 미세운동(relative micromotion)은 뼈의 implant와의 접합을 방해하는 것으로 알려져 왔다. 그런데 이러한 상대적인 운동 및 spinal stability에 직접적으로 영향을 주는 하중조건, spinal material의 물성치, spinal geometry 및 뼈와 implant의 접촉면에서의 마찰계수를 고려하기 위하여, 하나의 titanium interbody cage 가 삽입된 human lumbar segments (L4-L5)의 유한요소 모델이 개발되었다. 이러한 유한요소 모델의 해석을 통하여 상대적인 미세운동, Posterior의 수직적인 변위, von Mises 응력 및 마찰력이 예측되었다. Cancellous bone. annulus fibers 및 ligaments의 기계적인 물성치의 감소 또는 접촉면에서의 마찰계수의 감소는 상대적인 미세운동 (relative micromotion or slip distance)을 증가 시켰다. 접촉면에서의 normal force는 뼈의 밀도 (cancellous bone density) 가 감소하거나 접촉마찰계수가 증가하면 감소했다. 특히 하중조건에 있어서, compressive preload에 대한 torsion의 추가는 접촉면의 anterior부위에서 상대적인 미세운동을 증가 시켰다. 하지만 디스크면적이 증가할수록 상대적인 미세운동은 감소했다. 결론적으로, 접촉면의 기계공학적 거동 (Relative micromotion, stress response, posterior axial displacement and contact normal force)은 접촉면의 마찰계수 뼈의 밀도, 하중조건 및 노화에 따른 형상/물성의 변화에 매우 민감함을 보이고있다.