A novel concept of non-metallic orthopedic implants for load-bearing applications

Abstract

Metallic implants have remained the state of the art for skeletal reconstruction for over a hundred years. However, the excessive stiffness of metallic implants can lead to unphysiological direct bone healing and bone resorption in both humans and animals. Fiber reinforced composites (FRC) were proposed as alternative to metals in the “less rigid fixation” concept and were successfully approved in animal models and in clinical trials in humans as early as in 1970th and 1980th. However, the use of FRC implants is still limited due to such drawbacks as the lack of contourability, which is desirable in many applications, and high manufacturing costs.

The present dissertation addresses the limitations of FRC implants and suggests a novel concept of non-metallic load-bearing implants. The research further develops the “less rigid fixation” concept and complements it with the application of modern additive manufacturing and composite technologies, such as 3D printing and tailored fiber placement (TFP). The novel concept assumes that the design of the implants does not simply copy the existing conventional metallic counterparts but is initially aimed at the specified fabrication methods to reduce the costs and improve the tailorability and scalability for different clinical conditions and patients. The concept allows application of both biostable and bioresorbable polymeric materials, can be implemented in various designs and can be combined with bioactive agents to stimulate bone growth and decrease the rate of complications related to infections.

The dissertation includes four multidisciplinary studies in which the concept was described, and the basic aspects of that were investigated. Two different clinical problems, frequently occurred in veterinary practice, were addressed. Two prototype designs, an FRC fracture fixation plate, made by TFP and intended for the treatment of antebrachial fractures in toy-breed dogs, and a 3D-printed bioresorbable bioactive tibial tuberosity advancement implant for the treatment of cranial cruciate ligament disease in large dogs, were proposed based on the findings of the research. It is expected that the novel implants can improve the ossification and decrease the complications rate in animals. In addition, the present research serves as the first step towards the anticipated implementation of the novel concept in implants for humans.

<b>Uudenlainen konsepti metallittomiksi ortopedisiksi implanteiksi kuormaa kantaviin sovelluksiin</b>

Luuston korjauksessa on yli sadan vuoden ajan käytetty pääosin metallisia implantteja. Niiden jäykkyys voi kuitenkin johtaa epäfysiologiseen suoraan luunmuodostukseen ja luun resorptioon sekä ihmisillä että eläimillä. Kuitulujitettuja komposiittimateriaaleja (fiber reinforced composite, FRC) on 1970- ja 1980-luvuilta lähtien onnistuneesti kokeiltu eläinkokeissa ja kliinisissä kokeissa vähemmän jäykkänä vaihtoehtona metalleille. FRC-implanttien käyttö on toistaiseksi ollut rajallista, sillä valmistuksen jälkeen ne eivät ole muovattavissa, mikä olisi suotava ominaisuus monessa käytännön sovellutuksessa, ja niiden valmistus on kallista.

Tässä väitöskirjassa paneudutaan FRC-implanttien puutteisiin ja ehdotetaan uudenlaista konseptia metallittomiksi kuormaa kantaviksi implanteiksi. Tutkimuksessa kehitettiin vähemmän jäykkää luufiksaatiota moderneilla 3D-tulostus- ja räätälöity kuitusijoitus (tailored fiber placement, TFP) -tekniikoilla. Implantit on varta vasten valituille valmistustekniikoille suunniteltu, eivätkä pelkkiä kopioita metallisista vastineistaan. Tarkoituksena on vähentää valmistuksen kustannuksia ja parantaa implanttien muokattavuutta erilaisia kliinisiä tilanteita ja potilaita varten. Konsepti mahdollistaa sekä biohajoavien että biohajoamattomien implanttien valmistuksen eri muodoissa, ja siihen voidaan yhdistää bioaktiivisia yhdisteitä stimuloimaan luun kasvua ja vähentämään infektioista johtuvia komplikaatioita.

Väitöskirjan neljässä poikkitieteellisessä osatyössä konsepti kuvaillaan ja sen perusominaisuuksia tutkitaan. Implanttiprototyypit kehitettiin kahteen yleiseen eläinlääketieteelliseen kliiniseen ongelmaan: TFP-tekniikalla valmistettu FRCfiksaatiolevy radiuksen ja ulnan murtumien hoitoon pienikokoisilla koirilla, ja isojen koirien polven eturistisidevaurioiden hoitoon tarkoitettu 3D-tulostettu bioaktiivinen ja bioresorboituva implantti sääriluun kyhmyn eteenpäin siirtämiseksi. Oletuksena on, että implantit parantavat luutumista ja vähentävät komplikaatioriskiä eläimillä. Lisäksi tämä tutkimus on ensimmäinen askel tämän uudenlaisen konseptin käyttöön ihmisillä.