Biomechanical Analysis of Posteromedial Tibial Plateau Fractures and Posterior Soft Tissues in the Knee Joint

Posteromedial fractures of the tibial plateau are intra-articular injuries that can alter knee stability and kinematics due to loss of articular surface congruency and involvement of the surrounding soft tissues. Despite their clinical significance, their biomechanical behaviour remains poorly understood, and there are no agreed-upon criteria for determining what degree of step-off is acceptable in cases of conservative treatment and when, conversely, surgical intervention is necessary. Furthermore, it is not yet entirely clear to what extent the posterior soft tissues can compensate for the alterations caused by the fracture and contribute to maintaining joint stability. The aim of this study was to analyse the effects of increasing levels of posteromedial depression on knee kinematics and to evaluate the stabilizing contribution of the posterior structures. To this end, two previously developed finite-element models of the knee were used, differing in the presence of posterior musculoligamentous structures. For each configuration, the healthy model was initially considered, to which posteromedial fractures characterized by joint step-offs of 2, 4 and 6 mm were subsequently applied. The fracture was created by isolating and lowering the posteromedial fragment of the tibia. The depression was also extended to the tibial cartilage and the affected portion of the medial meniscus, introducing the necessary geometric modifications to accurately represent the different configurations. Eight dynamic squat simulations were then performed under load up to 90° of knee flexion. Joint behaviour was evaluated based on the anteroposterior displacement of the tibia and the varus-valgus and internal-external rotations throughout the entire movement. The results showed that the introduction of the fracture causes progressive alterations in kinematics, which increase with the depth of the step-off. In particular, the loss of congruency and posteromedial support resulted in greater anterior displacement of the tibia, increased varus rotation, and greater external rotation, especially during the first few degrees of flexion. A comparison of the two models revealed that the posterior structures can partially compensate for the effects of the fracture, particularly in controlling anteroposterior translation and internal-external rotation. In addition, for what concerns the anteroposterior displacement, this contribution was most evident in the configurations with 2 and 4 mm step-offs, whereas in the case of the 6 mm fracture, joint behaviour appeared to be primarily determined by changes in bone geometry. The differences between the models, however, were more limited regarding varus-valgus rotation. Overall, the study shows that the biomechanical behaviour of posteromedial fractures does not depend exclusively on the magnitude of the step-off, but also on the residual stability and integrity of the posterior soft tissues. The results obtained help clarify the role of these elements in knee kinematics and may serve as a basis for further studies aimed at defining clearer criteria for choosing between conservative and surgical treatment. The observed changes should, however, be considered as biomechanical trends and, on their own, do not allow the definition of directly applicable clinical thresholds.

Le fratture posteromediali del piatto tibiale sono lesioni intra-articolari che possono modificare la stabilità e la cinematica del ginocchio a causa della perdita di congruenza della superficie articolare e del coinvolgimento delle strutture molli circostanti. Nonostante la loro rilevanza clinica, il loro comportamento biomeccanico è ancora poco studiato e non sono disponibili criteri condivisi per stabilire quale entità di step-off possa essere accettata in caso di trattamento conservativo e quando, invece, sia necessario intervenire chirurgicamente. Inoltre, non è ancora del tutto chiaro in che misura i tessuti molli posteriori possano compensare le alterazioni prodotte dalla frattura e contribuire al mantenimento della stabilità articolare. Il presente lavoro ha avuto l’obiettivo di analizzare gli effetti di livelli crescenti di depressione posteromediale sulla cinematica del ginocchio e di valutare il contributo stabilizzante delle strutture posteriori. A questo scopo sono stati utilizzati due modelli agli elementi finiti del ginocchio precedentemente sviluppati, differenti per la presenza delle strutture muscololegamentose posteriori. Per ciascuna configurazione è stato considerato inizialmente il modello sano, al quale sono state successivamente applicate fratture posteromediali caratterizzate da step-off articolari di 2, 4 e 6 mm. La frattura è stata ottenuta isolando e abbassando il frammento posteromediale della tibia. La depressione è stata estesa anche alla cartilagine tibiale e alla porzione di menisco mediale coinvolta, introducendo le modifiche geometriche necessarie per rappresentare correttamente le diverse configurazioni. Sono state quindi eseguite otto simulazioni dinamiche di squat sotto carico fino a 90° di flessione del ginocchio. Il comportamento articolare è stato valutato attraverso lo spostamento anteroposteriore della tibia e le rotazioni varo-valgo e interna-esterna durante l’intero movimento. I risultati hanno mostrato che l’introduzione della frattura determina alterazioni progressive della cinematica, che aumentano con la profondità dello step-off. In particolare, la perdita di congruenza e di supporto posteromediale ha prodotto un maggiore spostamento anteriore della tibia, un aumento della rotazione in varo e una maggiore rotazione esterna, soprattutto durante i primi gradi di flessione. Il confronto tra i due modelli ha evidenziato che le strutture posteriori possono compensare parzialmente gli effetti della frattura, soprattutto nel controllo della traslazione anteroposteriore e della rotazione interna-esterna. Inoltre, per quanto concerne la traslazione anteroposteriore, questo contributo è risultato più evidente nelle configurazioni con step-off di 2 e 4 mm, mentre nel caso della frattura da 6 mm il comportamento articolare è apparso principalmente determinato dalla modifica della geometria ossea. Le differenze tra i modelli sono invece rimaste più limitate per la rotazione varo-valgo. Nel complesso, lo studio mostra che il comportamento biomeccanico delle fratture posteromediali non dipende esclusivamente dall’entità dello step-off, ma anche dalla stabilità residua e dall’integrità delle strutture molli posteriori. I risultati ottenuti contribuiscono a chiarire il ruolo di questi elementi nella cinematica del ginocchio e possono rappresentare una base per ulteriori studi finalizzati alla definizione di criteri più chiari per la scelta tra trattamento conservativo e chirurgico. Le alterazioni osservate devono tuttavia essere considerate come tendenze biomeccaniche e non consentono, da sole, di definire soglie cliniche direttamente applicabili.