Biomechanical Analysis of the Effect of Different Bone Resections in Osteosarcoma Pediatric Knee Prosthesis

Introduction Pediatric orthopedic prostheses present unique challenges due to the dynamic nature of the developing musculoskeletal system. Therefore, unlike adult implants, pediatric prostheses must accommodate the ongoing bone growth. This is especially noticeable in cases such as limb-salvage surgeries as solutions for osteosarcoma diagnosis. In this work, a biomechanical analysis on the effect of different bone resections in osteosarcoma pediatric knee prosthesis was performed. Materials and Methods Three-dimensional modeling of a 10-year-old patient’s femur was taken as object of study. Five finite models were developed according to five different femur resections proposals. Each model underwent two simulations, to evaluate the configuration behavior under two loading conditions. An axial load of 200 N was applied along the mechanical axis of the femur to simulate the standing task, while a 50 N transverse load was implemented to emulate the action of rising from a chair with arm support. Stress distributions, within the five residual bones models, were evaluated by dividing the femur into eight regions of interest. Results and Discussion The FE analysis of the five residual bone configurations, under axial and transverse loads, demonstrated distinct stress distribution patterns, depending on both implant length and load direction. Longer implants increased construct stiffness, shielding proximal bone and epiphyseal regions from physiological stresses, thereby raising concerns about stress shielding and potential growth impairment. Conversely, shorter stems reduced shielding but introduced higher localized stresses at the screw–bone interface, which may predispose to screw loosening, microdamage. The observed differences between axial and transverse loading highlight the need to evaluate implant performance under multiple functional tasks, as bending loads may drive distinct clinical failure modes compared with compressive loads. Conclusions This study demonstrates that endoprosthesis length exerts a systematic influence on stress transfer in distal femoral replacements, with longer stems more subjected to the possibility of stress shielding effect, and shorter stems producing higher screw-related stresses. While definitive predictions of remodeling cannot be made in pediatric bone, the qualitative patterns observed provide valuable insight into the trade-off between shielding risk and localized overload. Future work should focus on subject-specific modeling, anisotropic material properties, and adaptive loading conditions to bridge the gap between computational predictions and clinical outcomes in pediatric patients.

Introduzione Le protesi ortopediche pediatriche presentano sfide uniche a causa della natura dinamica del sistema muscoloscheletrico in via di sviluppo. Pertanto, a differenza degli impianti per adulti, le protesi pediatriche devono essere in grado di adattarsi alla crescita ossea in corso. Ciò risulta particolarmente evidente in casi come gli interventi di salvataggio dell’arto utilizzati come soluzione nei pazienti affetti da osteosarcoma. In questo lavoro è stata condotta un’analisi biomeccanica sull’effetto di differenti resezioni ossee nella protesi del ginocchio pediatrica per osteosarcoma. Materiali e Metodi È stato utilizzato come oggetto di studio un modello tridimensionale del femore di un paziente di 10 anni. Sono stati sviluppati cinque modelli agli elementi finiti (FE) in base a cinque diverse proposte di resezione femorale. Ogni modello è stato sottoposto a due simulazioni, per valutare il comportamento della configurazione sotto due condizioni di carico. È stato applicato un carico assiale di 200 N lungo l’asse meccanico del femore per simulare la postura eretta, mentre un carico trasversale di 50 N è stato utilizzato per emulare l’azione di alzarsi da una sedia con supporto delle braccia. Le distribuzioni di stress all’interno dei cinque modelli di osso residuo sono state valutate suddividendo il femore in otto regioni di interesse. Risultati e Discussione L’analisi agli elementi finiti delle cinque configurazioni ossee residue, sottoposte a carichi assiali e trasversali, ha evidenziato differenti schemi di distribuzione delle tensioni, a seconda sia della lunghezza dell’impianto che della direzione del carico. Gli impianti più lunghi hanno aumentato la rigidità della struttura, schermando le regioni prossimali e epifisarie dell’osso dalle sollecitazioni fisiologiche, sollevando così preoccupazioni riguardo all’effetto di stress shielding e al potenziale compromesso della crescita ossea. Al contrario, gli steli più corti hanno ridotto l’effetto di schermatura, ma hanno generato sollecitazioni localizzate più elevate all’interfaccia vite-osso, potenzialmente predisponendo all’allentamento delle viti e a microlesioni. Le differenze osservate tra carichi assiali e trasversali evidenziano la necessità di valutare le prestazioni dell’impianto in relazione a molteplici attività funzionali, poiché i carichi di flessione possono determinare modalità di cedimento clinico diverse rispetto ai carichi compressivi. Conclusioni Questo studio dimostra che la lunghezza dell’endoprotesi esercita un’influenza sistematica sul trasferimento delle sollecitazioni nelle sostituzioni femorali distali: gli steli più lunghi risultano più soggetti all’effetto di stress shielding, mentre quelli più corti generano maggiori sollecitazioni associate alle viti. Sebbene non sia possibile formulare previsioni definitive sul rimodellamento osseo nei pazienti pediatrici, i pattern qualitativi osservati forniscono indicazioni preziose sul compromesso tra rischio di schermatura e sovraccarico localizzato. I lavori futuri dovrebbero concentrarsi su modelli specifici per paziente, proprietà dei materiali anisotrope e condizioni di carico adattive, al fine di colmare il divario tra le previsioni computazionali e gli esiti clinici nei pazienti pediatrici.