Osseointegrated exoprosthesis system: a pilot preclinical study

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. Traditional socket prostheses suffer from several limitations, including skin complications, unstable fixation, and restricted patient mobility. Osseointegrated exoprostheses represent a promising alternative as they attach to the human body via an implant surgically placed in the residual bone. This solution provides secure fixation and is particularly effective for patients with short or pathological residual limbs.

The aim of the study — to evaluate the biocompatibility and safety of a domestically developed osseointegration system for femoral exoprosthetics using a large animal model.

Methods. A customized titanium osseointegrated implant, adapted based on CT data, was placed in one sexually mature minipig using a two-stage surgical protocol. During the 3-month observation period, a comprehensive set of clinical, laboratory, and radiographic examinations was performed. The study also involved routine stoma care and bacteriological monitoring. At the end of the period, an implant pull-out test was conducted.

Results. The animal was able to endure weight-bearing on the prosthesis while standing and walking. Body weight increased by approximately 10 kg. The implant pull-out force was 400 N, indicating the formation of a mechanical bond with the bone. Manageable complications were noted during the observation, specifically the development of anemia and asymptomatic bacterial colonization of the stoma with Staphylococcus spp. at 107 CFU/ml. There were no clinical signs of infection or systemic inflammatory response.

Conclusion. The study demonstrated the feasibility of the successful and safe application of the evaluated osseointegration system in a large animal model. The observed complications were not critical. The findings confirm the biocompatibility and functionality of the system, justifying the need for further expansive preclinical studies.

About the authors

Andrey V. Sinegub

NewStep LLP

Author for correspondence.
Email: a.sinegub@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2619-3691
SPIN-code: 7170-6994

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, St. Petersburg

Victor A. Chupryaev

Kirov Military Medical Academy

Email: v.chupryaev@gmail.com
ORCID iD: 0009-0005-6030-6460
SPIN-code: 5007-7607

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, St. Petersburg

Konstantin N. Demchenko

Kirov Military Medical Academy

Email: phantom964@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5437-1163
SPIN-code: 7549-2959
Russian Federation, St. Petersburg

Stepan E. Voronin

Almazov National Medical Research Center

Email: voronin_se@almazovcentre.ru
ORCID iD: 0000-0003-4773-1663
SPIN-code: 5569-4092
Russian Federation, St. Petersburg

Konstantin V. Eidelman

NewStep LLP

Email: eidelmankv@niuitmo.ru
ORCID iD: 0009-0006-8555-4046
Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Гросс Д.Д., Грюнфельд М., Розбрух С.Р., Рейф Т.Дж., Холлварт Д.С. Применение метода остеоинтеграции на нижней конечности — современное состояние и перспективы: обзор литературы. Травматология и ортопедия России. 2024;30(3):120-131. (На англ.). doi: 10.17816/2311-2905-17465. Gross J.D., Grunfeld M., Rozbruch S.R., Reif T.J., Hoellwarth J.S. Lower Extremity Osseointegration — A Review of the Current Experiences and Expectations. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2024;30(3): 120-131. doi: 10.17816/2311-2905-17465.
  2. Karimi M.T., Kavyani M., Mehrvar A. Osseointegration: A new approach to improve functional performance of prostheses – a systematic review of the literature. Cur Orthop Pract. 2024;35(6):229-236. doi: 10.1097/BCO.0000000000001275.
  3. Li Y., Brånemark R. Osseointegrated prostheses for rehabilitation following amputation: The pioneering Swedish model. Unfallchirurg. 2017;120(4):285-292. doi: 10.1007/s00113-017-0331-4.
  4. Li Y., Felländer-Tsai L. The bone anchored prostheses for amputees – Historical development, current status, and future aspects. Biomaterials. 2021;273:120836. doi: 1016/j.biomaterials.2021.120836.
  5. Juhnke D.L., Beck J.P., Jeyapalina S., Aschoff Horst H. Fifteen years of experience with Integral-Leg-Prosthesis: Cohort study of artificial limb attachment system. J Rehabil Res Dev. 2015;52(4):407-420. doi: 10.1682/JRRD.2014.11.0280.
  6. Jah F., Blöchle C., Aschoff H.H. Comparative analysis between bone-guided (endo-exo) prostheses and soft-tissue guided shaft prostheses for rehabilitation after thigh amputation, with special emphasis on its socio-economic aspects. J Surg Rehabil. 2019;1(1):1-9. doi: 10.31487/j.JSR.2019.01.03.
  7. Overmann A.L., Forsberg J.A. The state of the art of osseointegration for limb prosthesis. Biomed Eng Lett. 2019;10(1):5-16. doi: 10.1007/s13534-019-00133-9.
  8. Tropf J.G., Potter B.K. Osseointegration for amputees: Current state of direct skeletal attachment of prostheses. Orthoplastic Surgery. 2023;12(C):2028. doi: 10.1016/j.orthop.2023.05.004.
  9. Handford C., McMenemy L., Kendrew J., Mistlin A., Akhtar M.A., Parry M. et al. Improving outcomes for amputees: The health-related quality of life and cost utility analysis of osseointegration prosthetics in transfemoral amputees. Injury. 2022;53(12): 4114-4122. doi: 10.1016/j.injury.2022.10.007.
  10. Brånemark R.P., Hagberg K., Kulbacka-Ortiz K., Berlin Ö., Rydevik B. Osseointegrated Percutaneous Prosthetic System for the Treatment of Patients With Transfemoral Amputation: A Prospective Five-year Follow-up of Patient-reported Outcomes and Complications. J Am Acad Orthop Surg. 2019;27(16): e743-e751. doi: 10.5435/JAAOS-D-17-00621.
  11. Hagberg K., Ghassemi Jahani S.A., Kulbacka-Ortiz K., Thomsen P., Malchau H., Reinholdt C. A 15-year follow-up of transfemoral amputees with bone-anchored transcutaneous prostheses. Bone Joint J. 2020;102-B(1): 55-63. doi: 10.1302/0301-620X.102B1.BJJ-2019-0611.R1.
  12. Al Muderis M., Khemka A., Lord S.J., Van de Meent H., Frölke J.P. Safety of Osseointegrated Implants for Transfemoral Amputees: A Two-Center Prospective Cohort Study. J Bone Joint Surg Am. 2016;98(11):900-909. doi: 10.2106/JBJS.15.00808.
  13. Örgel M., Aschoff H.H., Sedlacek L., Graulich T., Krettek C., Roth S. et al. Twenty-four months of bacterial colonialization and infection rates in patients with transcutaneous osseointegrated prosthetic systems after lower limb amputation — A prospective analysis. Front Microbiol. 2022;13:1002211. doi: 10.3389/fmicb.2022.1002211.
  14. Hagberg K., Ghasemi Jahani S.A., Omar O., Thomsen P. Osseointegrated prostheses for the rehabilitation of patients with transfemoral amputations: A prospective ten-year cohort study of patient-reported outcomes and complications. J Orthop Translat. 2022;38:56-64. doi: 10.1016/j.jot.2022.09.004.
  15. Sinegub A.V., Lopota A.V. Finite element analysis of a screw with cellular structure and bone thread for direct bone anchoring of prostheses. Biomed Engineering. 2022;55(6):425-428. doi: 10.1007/s10527-022-10150-1.
  16. Sinegub A.V., Lopota A.V., Suvorov V.A. Personalized Finite Element Analysis of an Endo-Exo Prosthetics System under Conditions of Osseointegration. Biomed Engineering. 2022;56(1):40-43. doi: 10.1007/s10527-022-10162-x.
  17. Grisez B.T., Hanselman A.E., Boukhemis K.W., Lalli T.A.J., Lindsey B.A. Osseointegrated Transcutaneous Device for Amputees: A Pilot Large Animal Model. Adv Orthop. 2018;2018:4625967. doi: 10.1155/2018/4625967.
  18. Shelton T.J., Beck J.P., Bloebaum R.D., Bachus K.N. Percutaneous osseointegrated prostheses for amputees: Limb compensation in a 12-month ovine model. J Biomech. 2011;44(15):2601-2606. doi: 10.1016/j.jbiomech.2011.08.020.
  19. Farrell B.J., Prilutsky B.I., Kistenberg R.S., Dalton J.F. 4th, Pitkin M. An animal model to evaluate skin-implant-bone integration and gait with a prosthesis directly attached to the residual limb. Clin Biomech (Bristol). 2014;29(3):336-349. doi: 10.1016/j.clinbiomech.2013.12.014.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1. Implant and exoprosthesis custom-designed for the animal based on computed tomography data

Download (216KB)
3. Figure 2. 3D model of the implant and exoprosthesis positioned in the animal’s hind limb

Download (509KB)
4. Figure 3. Outcome of the first surgical stage: a — the formed residual limb; b — X-ray of the implanted intramedullary component

Download (1MB)
5. Figure 4. Outcome of the second surgical stage: a — intraoperative photograph showing the installed percutaneous element; b — photograph of the animal fitted with the exoprosthesis

Download (2MB)
6. Figure 5. X-ray taken prior to study termination showing the formation of periosteal callus and osteophytes in the distal residual limb

Download (580KB)

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».