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Bone Stresses (bone + stress)

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Selected Abstracts

Salient features in the locomotion of proboscideans revealed via the differential scaling of limb long bones

BIOLOGICAL JOURNAL OF THE LINNEAN SOCIETY, Issue 1 2010
VALERY B. KOKSHENEV
The standard differential scaling of proportions in limb long bones (length against circumference) was applied to a phylogenetically wide sample of the Proboscidea, Elephantidae and the Asian (Elephas maximus) and African (Loxodonta africana) elephants. In order to investigate allometric patterns in proboscideans and terrestrial mammals with parasagittal limb kinematics, the computed slopes between long bone lengths and circumferences (slenderness exponents) were compared with published values for mammals, and studied within a framework of the theoretical models of long bone scaling under gravity and muscle forces. Limb bone allometry in E. maximus and the Elephantidae is congruent with adaptation to bending and/or torsion induced by muscular forces during fast locomotion, as in other mammals, whereas the limb bones in L. africana appear to be adapted for coping with the compressive forces of gravity. Hindlimb bones are therefore more compliant than forelimb bones, and the resultant limb compliance gradient in extinct and extant elephants, contrasting in sign to that of other mammals, is shown to be a new important locomotory constraint preventing elephants from achieving a full-body aerial phase during fast locomotion. Moreover, the limb bone pattern of African elephants, indicating a noncritical bone stress not increasing with increments in body weight, explains why their mean and maximal body masses are usually above those for Asian elephants. Differences in ecology may be responsible for the subtle differences observed in vivo between African and Asian elephants, but they appear to be more pronounced when revealed via mechanical patterns dictated by limb bone allometry. © 2010 The Linnean Society of London, Biological Journal of the Linnean Society, 2010, 100, 16,29. [source]

Biomechanical aspects of marginal bone resorption around osseointegrated implants: considerations based on a three-dimensional finite element analysis

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH, Issue 4 2004
Eriko Kitamura
Abstract Objectives: Although bone loss around implants is reported as a complication when it progresses uncontrolled, resorption does not always lead to implant loss, but may be the result of biomechanical adaptation to stress. To verify this hypothesis, a three-dimensional finite element analysis was performed and the influence of marginal bone resorption amount and shape on stress in the bone and implant was investigated. Material and methods: A total of nine bone models with an implant were created: a non-resorption (Base) model and eight variations, in which three different resorption depths were combined with pure vertical or conical (vertical,horizontal) resorption. Axial and buccolingual forces were applied independently to the occlusal node at the center of the superstructure. Results: Regardless of load direction, bone stresses were higher in the pure vertical resorption (A) models than in the Base model, and increased with resorption depth. However, cortical bone stress was much lower in the conical resorption models than in both the Base and A models of the same resorption depth. An opposite tendency was observed in the cancellous bone under buccolingual load. Under buccolingual load, highest stress in the implant increased linearly with the resorption depth for all the models and its location approached the void existing below the abutment screw. Conclusions: The results of this analysis suggest that a certain amount of conical resorption may be the result of biomechanical adaptation of bone to stress. However, as bone resorption progresses, the increasing stresses in the cancellous bone and implant under lateral load may result in implant failure. Résumé Bien que la perte osseuse autour des implants soit considérée comme une complication quand elle progresse de manière incontrôlée, la résoption ne se termine pas toujours par la perte de l'implant, mais peut être le résultat de l'adaptation biomécanique au stress. Pour vérifier cette hypothèse, une analyse d'éléments finis en trois dimensions a été effectuée et l'influence de l'aspect et de la quantité de résorption osseuse marginale au stress dans l'os et l'implant a été analysée. Neuf modèles osseux avec un implant ont été créés : un modèle (Base) sans résorption et huit variations dans lesquelles trois profondeurs de résorption différentes ont été combinées avec des résorptions verticales ou coniques (verticale-horizontale). Des forces axiales et vestibulo-linguales ont été appliquées de manière indépendante en occlusal au centre de la superstructure. Quelle que soit la direction de la charge, les stress osseux étaient plus importants dans la résorption verticale pure (A) que dans le modèle de base et augmentaient avec la profondeur de résorption. Cependant, le stress osseux cortical était beaucoup plus faible dans les modèles à résorption conique que dans les modèles Base et A de même profondeur de résorption. Une tendance opposée était observée dans l'os spongieux sous charge vestibulo-linguale. Sous charge vestibulo-linguale, le stress le plus important dans l'implant augmentait linéairement avec la profondeur de résorption pour tous les modèles et sa localisation approchait l'espace existant en-dessous du pilier. Les résultats de cette analyse suggèrent qu'une certaine quantité de résorption conique pourrait être le résultat d'une adaptation biomécanique au stress osseux. Cependant, quand la résorption osseuse progresse les stress s'amplifiant dans l'os spongieux et au niveau de l'implant sous une force latérale peuvent résulter en un échec implantaire. Zusammenfassung Ziel: Auch wenn ein Knochenverlust um Implantate, der unkontrolliert fortschreitet, als Komplikation beschrieben wird, führen solche Resorptionen nicht gezwungenermassen zu einem Implantatverlust. Sie könnten aber Ausdruck einer biomechanischen Adaptation auf die Belastungen sein. Um diese Hypothese zu überprüfen, führte man eine dreidimensionale "Finite-Element"-Analyse durch. Man untersuchte die Zusammenhänge von Ausmass und Form der marginalen Knochenresorption und den entstehenden Kräften im Knochen und Implantat. Material und Methode: Die Arbeitsgrundlage waren 9 Modelle mit je einem Implantat: eines diente als Kontrolle (ohne Resorptionserscheinungen), die anderen acht zeigten drei verschiedene Resortionstiefen in Kombination mit rein vertikalen oder konischen (vertiko-horizontal) Defektformen. Dann liess man, unabhängig von der Okklusionsgestaltung, axiale und buccolinguale Kräfte auf die Mitte der Suprastruktur auftreffen. Resultate: Unabhängig von der Belastungsrichtung war die Knochenbelastung bei den rein vertikalen Resorptionsmodellen (A) grösser als beim Kontrollmodell und sie nahmen mit der Tiefe der Resorption zu. Die Belastung im kortikalen Knochen war aber in den Modellen mit konischen Resorptionen viel geringer als beim Kontrollmodell und den A-Modellen mit denselben Resorptionstiefen. Eine genau umgekehrte Tendenz konnte man im spongiösen Knochen unter buccolingualer Belastung feststellen.Bei einer buccolingualen Belastung nahm die Belastungsspitze beim Implantat bei allen Modellen linear mit der Resorptionstiefe zu und der Ort dieser Belastungsspitze lag im Bereich des Leerraumes genau unterhalb der Schraube des Sekundärteils. Zusammenfassung: Die Resultate dieser Analyse lassen vermuten, dass die konische Resorption bis zu einem gewissen Ausmass das Resultat einer biomechanischen Adaptation auf die Belastung des Knochens ist. Wenn aber die Knochenresorption fortschreitet, können die zunehmenden Belastungen im spongiösen Knochen und im Implantat bei einer lateralen Belastung zum Implantatmisserfolg führen. Resumen Objetivos: Aunque la pérdida de hueso alrededor de los implantes se informa como una complicación cuando progresa incontroladamente, la reabsorción no siempre lleva a la pérdida del implante, pero puede ser el resultado de la adaptación biomecánica al estrés. Para verificar esta hipótesis, se llevó a cabo un análisis tridimensional de elementos finitos y se investigó la influencia de la cantidad de reabsorción de hueso marginal y la forma en el estrés en el hueso y el implante. Material y métodos: Se crearon un total de 9 modelos de hueso con un implante: Un modelo sin reabsorción (Base) y 8 variaciones, el las que se combinaron tres diferentes profundidades de reabsorción con reabsorciones verticales o cónicas puras (vertical,horizontal). Se aplicaron fuerzas axiales y bucolinguales independientemente al nodo oclusal en el centro de la superestructura. Resultados: A pesar de la dirección de la carga, los estreses óseos fueron más altos en los modelos de reabsorción vertical pura (A) que en los modelos Base y se incrementaron con la profundidad de reabsorción. De todos modos, el estrés cortical fue mucho menor en los modelos de reabsorción cónica que en los modelos Base y A con la misma profundidad de reabsorción. Se observó una tendencia opuesta en el hueso esponjoso bajo carga bucolingual. Bajo carga bucolingual, el estrés mas alto en el implante se incrementó linealmente con la profundidad de reabsorción para todos los modelos y su localización se aproximó al espacio existente bajo el tornillo del pilar. Conclusión: Los resultados de este análisis sugieren que cierta cantidad de reabsorción cónica puede resultar de la adaptación biomecánica del hueso al estrés. De todos modos, al progresar la reabsorción ósea, los estrés crecientes en el hueso esponjoso y en el implante bajo carga lateral puede resultar en un fracaso del implante. 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Computational assessment of the effect of polyethylene wear rate, mantle thickness, and porosity on the mechanical failure of the acetabular cement mantle

JOURNAL OF ORTHOPAEDIC RESEARCH, Issue 5 2010
Oliver J. Coultrup
Abstract Clinical studies have revealed that aseptic loosening is the dominant cause of failure in total hip arthroplasty, particularly for the acetabular component. For a cemented polyethylene cup, failure is generally accompanied by the formation of fibrous tissue at the cement,bone interface. A variety of reasons for the formation of this tissue have been suggested, including osteolysis and mechanical overload at the cement,bone interface. In this study, a computational cement damage accumulation method was used to investigate the effect of polyethylene cup penetration, cement mantle thickness, and cement porosity on the number of cycles required to achieve mechanical fatigue failure of the cement mantle. Cup penetration was found to increase cement mantle stresses, resulting in a reduction in cement mantle fatigue life of 9% to 11% for a high cup penetration rate. The effect of using a thin (2 mm) over a thick (4 mm) cement mantle also reduced cement mantle fatigue life between 9% and 11%, and greatly raised cancellous bone stresses. Cement porosity was found to have very little effect on cement mantle fatigue life. Failure modes and cement stresses involved suggest that only extreme combinations of a thin cement mantle and high cup penetration may lead to mechanical failure of the cement mantle, thereby allowing wear debris access to the cement,bone interface. A thin cement mantle may also lead to the mechanical overload of the cement,bone interface. In this manner, the authors suggest that the mechanical factors may contribute to the failure mode of cemented polyethylene cups. © 2009 Orthopaedic Research Society. Published by Wiley Periodicals, Inc. J Orthop Res 28:565,570, 2010 [source]

Limb bone stresses during fast locomotion in the African lion and its bovid prey

JOURNAL OF ZOOLOGY, Issue 2 2008
B. Sorkin
Abstract Peak stresses during fast locomotion in the humerus and tibia of the African lion have been estimated from a filmed prey pursuit sequence and skeletal dimensions of museum specimens; safety factors of the two bones have been calculated. The results are compared with the peak stresses (and the corresponding safety factors) during fast locomotion in the humerus and tibia of large (buffalo) and small (antelope) African bovids, which the lion is known to prey upon, estimated by previous authors using similar methodology. The comparison suggests that both the humerus and the tibia of a running lion have higher safety factors than those of its bovid prey running at the same speed. [source]

Effects of splinted prosthesis supported a wide implant or two implants: a three-dimensional finite element analysis

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH, Issue 4 2005
Heng-Li Huang
Abstract Objectives: Three-dimensional finite element (FE) models of splinted prosthetic crowns were studied and stress analyses were evaluated with different types of implant support, including standard, wide or two implant(s) for partial, posterior edentulous restorations. Material and methods: The FE models were constructed based on a cadaver mandible containing the 2nd premolar and the 1st molar. The crowns of these two teeth were modeled as connected and disconnected to mimic the splinted and non-splinted designs, respectively. One standard implant was placed at the premolar region, while three types of implant support, one at a time (the standard implant, wide implant and two implants), were used to support the molar crown. A 100 N oblique load was applied to the buccal cusp on each crown. The FE simulation was validated experimentally via strain gauge measurement. Results: The experimental data were well correlated with the FE predictions (r2=0.97). When compared with the standard implant used in the molar area, the wide implant and two implants reduced the peak stress in crestal bone by 29,37% for both splinted and non-splinted cases. Inserting the standard implant into both the premolar and molar area, the bone stresses were identical for splinted and non-splinted designs. However, splinting the adjacent crowns has shown to decrease the bone stresses at the premolar region by 25%, while the wide implant or two implants were placed at the molar region. Conclusion: The biomechanical advantages of using the wide implant or two implants are almost identical. The benefit of load sharing by the splinted crowns is notable only when the implants on the premolar and molar regions have different supporting ability. Résumé Des modèles d'éléments finis (FE) tridimensionnels de couronnes prothétiques attachés ont étéétudiés et les analyses de stress ont étéévalués avec différents types de support d'implants comprenant le standard, le large ou deux implants pour des restaurations postérieures partielles. Les modèles FE ont été construits sur base de mandibule de cadavre contenant deux prémolaires et une molaire. Les couronnes de ces deux dents ont été modelées comme connectées et non-connectées pour mimer respectivement les modèles avec attache ou sans. Un implant standard a été placé dans la région prémolaire tandis que trois types d'implants supportaient en un temps (l'implant standard, l'implant large et deux implants) ont été utilisés pour porter la couronne molaire. Une charge oblique de 100 N a été appliquée sur la cuspide vestibulaire de chaque couronne. La simulation FE a été validée expérimentalement via une mesure par jauge de force. Les données expérimentales étaient en bonne corrélation avec les prévisions FE (r2=0,97). Comparés à l'implant standard utilisé dans la zone molaire, l'implant large et la combinaison de deux implants réduisait le pic de stress dans l'os crestal de 29 à 37% tant dans les cas attachés que non-attachés. En insérant l'implant standard dans la zone prémolaire et molaire, le stress osseux était identique pour les modèles attachés et non-attachés. Cependant, l'attache reliant les couronnes adjacentes s'accompagnait d'une dimininution des stress osseux dans la région prémolaire de 25%, tandis que l'implant large ou les deux implants étaient placés dans la région molaire. Les avantages biomécaniques de l'utilisation d'un implant large ou de deux implants sont quasi identiques. Le bénéfice d'une charge partagée par les couronnes solidarisées n'est visible que lorsque les implants des régions prémolaires et molaires ont des capacités de support différentes. Zusammenfassung Ziel: Bei der Rekonstruktion von Lücken im hinteren Seitenzahnbereich untersuchte man in einem dreidimensionalen Finiteelement-Modell (FE) zementierte Kronen und wertete in Belastungs-Analysen verschiedene Implantatabstützungen aus, nämlich auf Standardimplantaten, Wide neck-Implantaten oder auf zwei Implantaten. Material und Methoden: Das FE-Modell basierte auf den Werten eines Leichenunterkiefers in der Region des zweiten Prämolaren und ersten Molaren. Die Kronen auf diesen beiden Zähne wurden jeweils zusammenhängend und einzeln modelliert, so dass man die verblockte und unverblockte Situation nachempfinden konnte. In der Prämolarenregion implantierte man ein Standartimplantat. In der Molarenregion wählte man jeweils eine von drei verschiedenen Varianten der Abstützung für die Kronen: ein Standardimplantat, ein Wide neck-Implantat oder zwei Implantate. Auf den buccalen Höcker jeder Krone liess man schräg eine Kraft von 100 N auftreffen. Die FE-Simulation eichte man experimentell mit Hilfe von Dehnmessstreifen. Resultate: Die experimentellen Daten korrelierten sehr gut mit den FE-Voraussagen (r2=0.97). Verglich man die in der Molarenregion verwendeten Standartimplantate mit den Wide neck-Implantaten und zwei Implantaten, so reduzierte sich die Spitzenbelastung im crestalen Knochen um 29,37%, bei den verblockten wie auch bei den unverblockten Versionen. Setzte man sowohl im Prämolaren wie auch im Molarengebiet Standardimplantate, so war die Knochenbelastung für die verblockte wie auch für die unverblockte Version gleich gross. Wenn aber das Wide neck-Implantat oder zwei Implantate in der Molarenregion gesetzt worden waren, so vermochte die Verblockung der Implantat-Kronen die Knochenbelastung in der Prämolarenregion um 25% zu senken. Zusammenfassung: Ob man das Wide neck-Implantat oder zwei Implantate verwendet, die biomechanischen Vorteile sind beinahe identisch. Man erreicht durch das Verblocken von Kronen erst dann einen spürbaren Vorteil bezüglich Lastenverteilung, wenn die Implantate in der Prämolaren- und Molarenregion verschiedene Tragfähigkeiten aufweisen. Resumen Objetivos: Se estudiaron modelos tridimensionales de elementos finitos (FE) de coronas protésicas y se evaluó el análisis de estrés con diferentes tipos de soporte implantario, incluyendo implantes estándar, anchos o dos implantes, para restauraciones parciales en posteriores edéntulos. Material y métodos: Se construyeron dos modelos FE basados en mandíbula de cadáver conteniendo el 2° premolar y el 1er molar. Las coronas de estos dos dientes se modelaron como conectadas y desconectadas para imitar los diseños conectados y desconectados, respectivamente. Se colocó un implante estándar en la región premolar, mientras que para soportar la corona molar se colocaron tres tipos de implantes, uno a la vez, (un implante estándar, un implante ancho y dos implantes). Se aplicó una carga oblicua de 100N en la cúspide bucal de cada corona. La simulación de elementos finitos se validó experimentalmente por medio de medición de tensión. Resultados: Los datos experimentales se correlacionaron bien con las predicciones FE (r2=0.97). Al comparase a los implantes estándar usados en el área molar, el implante ancho y dos implantes redujeron el pico de estrés en el hueso crestal en un 29,37% tanto para los caso ferulizados como para los no ferulizados. Al insertar el implante estándar tanto en la región premolar como en la molar, los estrés óseos fueron idénticos para los diseños ferulizados como para los no ferulizados. De todos modos, la ferulización de las coronas adyacentes mostró un descenso del estrés óseo en un 25%, mientras el implante ancho o los dos implantes se colocaron en la región molar. Conclusión: Las ventajas biomecánicas de usar el implante ancho o dos implantes fueron casi idénticas. El beneficio de compartir la carga al ferulizar las coronas es notable solo cuando los implantes en las regiones premolar y molar tienen diferente capacidad de soporte. [source]