Bending, in addition to compression, is recognized to be a common loading pattern in long bones in animals. However, due to the technical difficulty of measuring bone deformation in humans, our current understanding of bone loading patterns in humans is very limited. In the present study, we hypothesized that bending and torsion are important loading regimes in the human tibia. In vivo tibia segment deformation in humans was assessed during walking and running utilizing a novel optical approach. Results suggest that the proximal tibia primarily bends to the posterior (bending angle: 0.15°-1.30°) and medial aspect (bending angle: 0.38°-0.90°) and that it twists externally (torsion angle: 0.67°-1.66°) in relation to the distal tibia during the stance phase of overground walking at a speed between 2.5 and 6.1 km/h. Peak posterior bending and peak torsion occurred during the first and second half of stance phase, respectively. The peak-to-peak antero-posterior (AP) bending angles increased linearly with vertical ground reaction force and speed. Similarly, peak-to-peak torsion angles increased with the vertical free moment in four of the five test subjects and with the speed in three of the test subjects. There was no correlation between peak-to-peak medio-lateral (ML) bending angles and ground reaction force or speed. On the treadmill, peak-to-peak AP bending angles increased with walking and running speed, but peak-to-peak torsion angles and peak-to-peak ML bending angles remained constant during walking. Peak-to-peak AP bending angle during treadmill running was speed-dependent and larger than that observed during walking. In contrast, peak-to-peak tibia torsion angle was smaller during treadmill running than during walking. To conclude, bending and torsion of substantial magnitude were observed in the human tibia during walking and running. A systematic distribution of peak amplitude was found during the first and second parts of the stance phase.

Introduction: Bone healing can be improved by axial micromovement, as has been shown in animals and human patients with external fixators. In the development of smart fracture plates, the ideal amount of stroke for different fracture types in the different healing stages is currently unknown. It was hypothesized that the resulting strain in the fracture gap of a simple tibial shaft fracture does not vary with the amount of axial stroke in the plate, the fracture gap size, and the fracture angle. Methods: With finite element simulations based on body donation computed tomography data, the second invariant of the deviatoric strain tensor (J2), strain energy density, hydrostatic strain, octahedral shear strain, and percentage of the fracture gap in the “perfect healing window” were computed for different gap sizes (1–3 mm), angles (5°–60°), and plate stroke levels (0.05–0.60 mm) in three healing stages. Multiple linear regression analyses were performed. Results: Findings showed that an active fracture plate should deliver an axial stroke in the range of 0.10–0.45 mm. Different optimal stroke values were found for each healing phase, namely, 0.10–0.25 mm for the first, 0.10 mm for the second, and 0.35–0.45 mm for the third healing phase, depending on the fracture gap size and less on the fracture angle. J2, hydrostatic strain, octahedral shear strain and the strain energy density correlated with the fracture gap size and angle (all p < 0.001). The influence of the fracture gap size and angle on the variability (adjusted R 2 ) in several outcome measures in the fracture gap was shown to vary throughout healing. The contribution to the variability of the percentage of the fracture gap in the perfect healing window was greatest during the second healing phase. For J2, strain energy density, hydrostatic strain, and octahedral shear strain, the fracture gap size showed the greatest contribution in the third fracture healing phase, while the influence of fracture angle was independent of the healing phase. Discussion: The present findings are relevant for implant development and to design clinical studies that aim to accelerate fracture healing using axial micromovement.