BIOMECHANICAL ANALYSIS OF PAEDIATRIC PROSTHESIS FOR KNEE ARTHROPLASTY IN CHILDREN WITH OSTEOSARCOMA

Distal femoral osteosarcoma treatment requires knee arthroplasty when feasible to preserve joint functionality. However, prosthetic implantation in paediatric patients presents significant challenges due to ongoing skeletal growth and distinct mechanical properties of paediatric bone compared to adult bone. This finite element study analyses the biomechanical behaviour of a femur with a custom prosthetic implant, evaluating mechanical response under physiological loading conditions and assessing the influence of fixation configuration on implant stability. Three-dimensional reconstruction was performed using CT images from a 10-year-old patient, involving femoral segmentation and subsequent 3D modelling. Two computational models were developed: a control model with intact femur and an implanted model with prosthetic replacement. An axial load of 200 N was applied along the mechanical axis to simulate physiological conditions. Prosthetic integration was modelled by simulating a 120 mm distal bone resection followed by implant placement. Seven distinct screw fixation configurations (C1–C7) were developed to identify the optimal strategy for implant stability. Stress distribution within the bone and forces generated in the implant were evaluated by dividing the femur into eight regions of interest. Numerical analysis enabled comprehensive evaluation of stress distribution within both the femur and prosthesis for each tested configuration. Screw placement significantly influenced overall implant stability. Configurations featuring more balanced screw distribution proved more effective in limiting local deformations and stabilizing the prosthesis-femur interface, thereby reducing stress concentrations. Conversely, less homogeneous configurations demonstrated increased stress concentrations. The findings confirm the critical importance of fixation configuration in paediatric knee prosthetic biomechanics. Implant stability depends critically on the arrangement and number of screws used for prosthetic anchorage to the residual femur. Optimized configurations reduce stress concentrations and, potentially improving long-term implant durability and functionality. These results provide valuable insights for surgical planning and implant design optimization in paediatric oncological orthopaedic procedures. This study demonstrates the biomechanical behaviour of prosthetic implants for knee arthroplasty in paediatric osteosarcoma patients, highlighting the determinant role of fixation configuration in implant stability. The findings suggest that careful consideration of screw placement and distribution is essential for achieving optimal biomechanical performance and long-term clinical success in paediatric limb salvage procedures.

Il trattamento dell’osteosarcoma del femore distale prevede, quando possibile, l’artroplastica del ginocchio per preservare la funzionalità articolare. Tuttavia, l’impianto protesico nei pazienti pediatrici presenta sfide significative a causa della crescita scheletrica in corso e delle proprietà meccaniche differenti dell’osso pediatrico rispetto a quello adulto. Questo studio agli elementi finiti analizza il comportamento biomeccanico di un femore con un impianto protesico personalizzato, valutando la risposta meccanica in condizioni di carico fisiologico e l’influenza della configurazione di fissaggio sulla stabilità dell’impianto. È stata effettuata una ricostruzione tridimensionale utilizzando immagini TC di un paziente di 10 anni, comprendente la segmentazione del femore e la successiva modellazione 3D. Sono stati sviluppati due modelli computazionali: un modello di controllo con femore integro e un modello impiantato con protesi. È stato applicato un carico assiale di 200 N lungo l’asse meccanico per simulare condizioni fisiologiche. L’integrazione protesica è stata modellata simulando una resezione ossea distale di 120 mm seguita dal posizionamento dell’impianto. Sono state definite sette configurazioni distinte di fissaggio con viti (C1–C7) per individuare la strategia ottimale di stabilità. La distribuzione delle tensioni all’interno dell’osso e le forze generate nell’impianto sono state valutate suddividendo il femore in otto regioni di interesse. L’analisi numerica ha permesso una valutazione approfondita della distribuzione delle tensioni sia nel femore che nella protesi per ciascuna configurazione testata. Il posizionamento delle viti ha influenzato in modo significativo la stabilità complessiva dell’impianto. Le configurazioni con una distribuzione delle viti più equilibrata si sono dimostrate più efficaci nel limitare le deformazioni locali e nel stabilizzare l’interfaccia protesi-femore, riducendo così le concentrazioni di tensione. Al contrario, le configurazioni meno omogenee hanno mostrato un aumento delle concentrazioni di tensione. I risultati confermano l’importanza cruciale della configurazione di fissaggio nella biomeccanica delle protesi di ginocchio pediatriche. La stabilità dell’impianto dipende in modo critico dalla disposizione e dal numero di viti utilizzate per l’ancoraggio protesico al femore residuo. Le configurazioni ottimizzate riducono le concentrazioni di tensione e possono migliorare la durabilità e la funzionalità dell’impianto nel lungo termine. Questi risultati offrono indicazioni preziose per la pianificazione chirurgica e per l’ottimizzazione del design protesico negli interventi ortopedici oncologici pediatrici. Questo studio dimostra il comportamento biomeccanico degli impianti protesici per artroplastica del ginocchio in pazienti pediatrici affetti da osteosarcoma, evidenziando il ruolo determinante della configurazione di fissaggio nella stabilità dell’impianto. I risultati suggeriscono che una valutazione accurata del posizionamento e della distribuzione delle viti sia essenziale per ottenere prestazioni biomeccaniche ottimali e un successo clinico duraturo nelle procedure di salvataggio dell’arto in età pediatrica.