Title: Biomechanic and Design of Hip Implant

Abstract: This study aims to model the suitability of hip implant materials according to age and patient characteristics, focusing on a comprehensive evaluation of the materials used in hip implants. The increasing prevalence of hip-related disorders due to factors such as aging, reduced physical activity, and weight issues has intensified the demand for hip implants. The primary objective of this study is to conduct a comparative analysis of mechanically and biocompatibility-tested materials to identify the most suitable material for enhancing patients' quality of life while maintaining cost-effectiveness. The study evaluates the appropriateness of materials such as ceramics, stainless steel, chrome-cobalt alloys, titanium, and polyethylene for hip implants, considering their mechanical properties, durability, corrosion resistance, and biocompatibility through extensive laboratory testing. The lack of detailed studies specific to hip implants in the existing literature underscores the contribution of this research to the field. Utilizing models derived from computed tomography images and designed with Solidworks 3D modeling software, finite element analysis was conducted on the implants. The findings will be compared with existing literature, and an assessment report will be prepared. The development of a personalized and cost-effective implant with optimal characteristics is crucial for broad accessibility. Determining the most suitable material for implant durability and longevity is a primary goal. Additionally, selecting materials tailored to the patient's age, weight, physical activity level, and budget will contribute to the creation of customized hip implants. The results of this study will elucidate the advantages and disadvantages of different materials used in hip implants, providing valuable insights for material selection and application in the literature. The findings will serve as a foundational basis for future research in the field of hip implants, guiding informed decision-making in material selection for surgeons, engineers, and patients alike. The ultimate aim is to contribute to our nation by fostering indigenous implant research and implementation through collaborative efforts and industry support.

Keywords: hip implant, biomechanic, finite element analysis

Başlık: Kalça İmplantının Biyomekaniği ve Tasarımı

Özet: Bu çalışmada, kalça implantlarında kullanılan malzemelerin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesine odaklanarak, kalça implantı malzemelerinin yaş ve hasta özelliklerine göre uygunluğunu modellemeyi amaçlamaktadır. Yaşlanma, fiziksel aktivitenin azalması ve kilo sorunları gibi faktörler nedeniyle kalçayla ilgili rahatsızlıkların yaygınlığının artması, kalça implantlarına olan talebi yoğunlaştırmıştır. Bu çalışmanın birincil amacı, maliyet etkinliğini korurken hastaların yaşam kalitesini artırmak için en uygun malzemeyi belirlemek üzere mekanik ve biyouyumluluk açısından test edilmiş malzemelerin karşılaştırmalı bir analizini yapmaktır. Çalışmada seramik, paslanmaz çelik, krom-kobalt alaşımları, titanyum ve polietilen gibi malzemelerin mekanik özellikleri, dayanıklılıkları, korozyon direnci ve biyouyumlulukları göz önünde bulundurularak kalça implantları için uygunluğu kapsamlı laboratuvar testleriyle değerlendirilmektedir. Mevcut literatürde kalça implantlarına özgü detaylı çalışmaların eksikliği, bu araştırmanın alana katkısının altını çizmektedir. Bilgisayarlı tomografi görüntülerinden elde edilen ve Solidworks 3D modelleme yazılımı ile tasarlanan modeller kullanılarak implantlar üzerinde sonlu eleman analizi yapılacaktır. Optimum özelliklere sahip kişiselleştirilmiş ve uygun maliyetli bir implantın geliştirilmesi, geniş erişilebilirlik için çok önemlidir. İmplant dayanıklılığı ve uzun ömürlülüğü için en uygun malzemenin belirlenmesi birincil hedeftir. Ayrıca, hastanın yaşına, kilosuna, fiziksel aktivite düzeyine ve bütçesine göre uyarlanmış malzemelerin seçilmesi, kişiye özel kalça implantlarının oluşturulmasına katkıda bulunacaktır. Bu çalışmanın sonuçları, kalça implantlarında kullanılan farklı malzemelerin avantaj ve dezavantajlarını aydınlatacak ve literatürde malzeme seçimi ve uygulaması için değerli bilgiler sağlayacaktır. Bulgular, kalça implantları alanında gelecekte yapılacak araştırmalar için temel bir dayanak oluşturacak ve cerrahlar, mühendisler ve hastalar için malzeme seçiminde bilinçli karar vermeye rehberlik edecektir. Nihai amaç, işbirliği çabaları ve endüstri desteği yoluyla yerli implant araştırmalarını ve uygulamalarını teşvik ederek ülkemize katkıda bulunmaktır.

Anahtar kelimeler: kalça implantı, biyomekanik, sonlu eleman analizi

• Soliman MM, Islam MT, Chowdhury MEH, Alqahtani A, Musharavati F, Alam T, Alshammari AS, Misran N, Soliman MS, Mahmud S, Khandakar A. Advancement in total hip implant: a comprehensive review of mechanics and performance parameters across diverse novelties. J Mater Chem B. 2023 Nov 15;11(44):10507-10537.
• Okolie O, Stachurek I, Kandasubramanian B, Njuguna J. 3D Printing for Hip Implant Applications: A Review. Polymers. 2020; 12(11):2682.
• Ciklacandir S, Mihcin S, Isler Y. Detailed investigation of three-dimensional modeling and printing technologies from medical images to analyze femoral head fractures using finite element analysis. IRBM 2022; 43(6): 604-613.
• Holzwarth U, Cotogno G. Total hip arthroplasty: State of the art, prospects and challenges. EUR 25378 EN. Luxembourg (Luxembourg): Publications Office of the European Union; 2012.
• Hesketh J, Meng Q, Dowson D, Neville A. Biotribocorrosion of metal-on-metal hip replacements: How surface degradation can influence metal ion formation. Tribology International 2013, 65:128-137.JRC72428
• Guo L, Naghavi SA, Wang Z, Varma SN, Han Z, Yao Z, Wang L, Liu C. On the design evolution of hip implants: A review. Materials \& Design. 2022; 216(2022).
• Cici H, Ozmanevra R, Bektas YE, Ciklacandir S, Demirkiran ND, Isler Y, Erduran M, Basci O. Biomechanical comparison of a closed-loop double endobutton to a lag screw in fixation of posterior malleolar fractures. The Journal of Foot and Ankle Surgery 2022; 61(5): 975-978.
• Gessner BD, Steck T, Woelber E, Tower SS. A systematic review of systemic cobaltism after wear or corrosion of chrome-cobalt hip implants. Journal of Patient Safety, 2019, 15(2): 97.
• Rahaman MN, Yao A, Bal BS, Garino JP, Ries MD. Ceramics for Prosthetic Hip and Knee Joint Replacement. Journal of the American Ceramic Society 2007, 90: 1965-1988.
• Sevencan A, Seber S. Polimerler. TOTBİD Dergisi. 2011; 10(2): 96-102.
• Kaya F, İnce G, Avcar M, Yünlü L. Kalça Protezi Tasarımının Sonlu Elelmanlar Yöntemi ile Statik Analizi. Mühendislik Bilimleri Ve Tasarım Dergisi 2021, 9(1): 199-208.
• Dopico-Gonzalez C, New AM, Browne M. Probabilistic finite element analysis of the uncemented hip replacement—effect of femur characteristics and implant design geometry. Journal of Biomechanics 2010, 43(3), 512-520.
• Guner AT, Meran C. Ortopedik implantlarda kullanılan biyomalzemeler. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2020, 26(1): 54-67.
• Gessner BD, Steck T, Woelber E, Tower SS. A Systematic Review of Systemic Cobaltism After Wear or Corrosion of Chrome-Cobalt Hip Implants. J Patient Saf. 2019 Jun;15(2):97-104.
• Bal BS, Garino J, Ries M, Rahaman MN. Ceramic Materials in Total Joint Arthroplasty. Seminars in Arthroplasty 2006, 17(3-4): 94-101.
• Bahce E, Karaman D, Guler MS. Kalça Protezlerinde Oluşan Aşınmanın Femur Kas-İskelet Sistemi Tabanlı Sonlu Elemanlar Analizi ile İncelenmesi. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 2019, 6(2): 268-277.
• Kocak S, Sekercioglu T. Experimental and numerical static failure analyses of total hip replacement interfaces. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine 2019. 233(11):1183-1195.
• Wolff M, Luczak M, Schaper JG, Wiese B, Dahms M, Ebel T, Willumeit-Römer R, Klassen T. In vitro biodegradation testing of Mg-alloy EZK400 and manufacturing of implant prototypes using PM (powder metallurgy) methods. Bioactive Materials 2018, 3(3): 213-217.
• Manea A, Bran S, Baciut M, Armencea G, Pop D, Berce P, Vodnar DC, Hedesiu M, Dinu C, Petrutiu A, Tomina D, Baciut G. Sterilization protocol for porous dental implants made by Selective Laser Melting. Clujul Med. 2018 Oct;91(4):452-457. doi: 10.15386/cjmed-987.
• Peters K, Unger RE, Kirkpatrick CJ. Biocompatibility Testing. In: Narayan, R. (eds) Biomedical Materials 2021. Springer, Cham.
• Hake ME, Davis ME, Perdue AM, Goulet JA. Modern Implant Options for the Treatment of Distal Femur Fractures. J Am Acad Orthop Surg. 2019 Oct 1;27(19):e867-e875.
• Bektas YE, Ozmanevra R, Cici H, Ciklacandir S, Demirkiran ND, Isler Y, Basci O, Erduran M. A novel plate for vertical shear fractures of medial malleolus: a biomechanical study. Journal of the American Podiatric Medical Association 2023; 1(aop): 1-20.