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Développement d'une tige fémorale biomimétique intégrant une structure cellulaire poreuse

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Jetté, Bruno (2018). Développement d'une tige fémorale biomimétique intégrant une structure cellulaire poreuse. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le phénomène de déviation des contraintes résultant de l’écart de rigidité entre les os et les implants métalliques denses employés pour les prothèses orthopédiques est à l’origine des défaillances à long terme des implantations et de leurs durées de vie insatisfaisantes pour les jeunes patients actifs. À cet effet, le recours aux structures métalliques poreuses ordonnées est envisagé pour la réduction de la rigidité de la tige fémorale non cimentée de la prothèse totale de la hanche. Dans ce mémoire, deux articles scientifiques sont présentés en abordant l’élaboration et l’évaluation d’un concept de tige fémorale intégrant une structure poreuse ordonnée.

Le premier article présente les considérations de conception ainsi que la méthodologie de production de la tige avec le procédé de fabrication additive de la fusion sélective sur lit de poudre par laser. La structure poreuse employée est celle basée sur l’architecture du réseau atomique cristallin du diamant et intégrée à l’implant avec une porosité de 58% et des pores dimensionnés à 800 μm. Ces caractéristiques conduisent à des propriétés mécaniques respectives de 8.4 GPa et de 91 MPa pour les modules d’élasticité (E*) et limite élastique (SY*) apparentes de la structure poreuse produite avec l’alliage Ti-6Al-4V. Ces valeurs se situent à l’intérieur des intervalles des propriétés mécaniques correspondantes pour les os cortical et trabéculaire confondus. Des essais mécaniques statiques basés sur la norme ISO 7206-4 sont employés pour valider le modèle numérique de la tige et quantifier le gain de flexibilité comparativement à la version complètement dense de la tige. Les résultats mesurés, grâce à un système de corrélation d’images numériques, permettent d’une part de valider le modèle numérique et d’autre part d’évaluer un gain de flexibilité de 31% comparativement à la tige dense.

Le deuxième article aborde l’évaluation de la résorption osseuse post opératoire en fonction de la variation des déformations équivalentes à la surface extérieure du fémur. Pour ce faire, un modèle numérique d’un fémur synthétique implanté est élaboré de concert avec des essais mécaniques analogues au premier article. Un système de corrélation d’images numériques est également utilisé pour les fins de validation du modèle. En somme, la tige poreuse présente un ratio surfacique de résorption osseuse inférieur (18.4%) lorsqu’il est comparé à celui de sa version complètement dense (22.8%).

Titre traduit

Development of a biomimetic femoral stem integrating a porous cellular structure

Résumé traduit

The stiffness mismatch existing between the bones and the monolithic metallic implants that are used for the orthopaedic prostheses leads to the stress shielding phenomenon and, in the long-term, to the implant failures which prohibit their uses for young and active patients. To this matter, the addition of metallic ordered porous structures to the implants is considered reducing the stiffness of the cement less femoral stems used in the total hip arthroplasties. In the current document, two scientific articles are introduced to expose the design and assessment of a femoral stem integrating an ordered porous structure.

The first article exposes the design concerns and the methodologies for the embodiment of the stem using the additive manufacturing process of the laser-powder bed fusion. The diamond lattice porous structure is selected and integrated to the stem with a porosity of 58% and a pore size of 800 μm. Using the Ti-6Al-4V alloy, these design parameters lead to the apparent mechanical properties of the porous structure of 8.4 GPa and 91 MPa for the modulus of elasticity (E*) and the yield strength (SY*), respectively. These values are contained within the combined intervals of the corresponding properties for the cortical and trabecular bones. Static mechanical tests adapted from the ISO 7206-4 standard serve to validate the numerical model of the stem and evaluate its increase of flexibility when compared to its fully dense replica. The measurements, obtained using a digital image correlation system, allow, on the one hand, the validation of the numerical model of the stem, and on the other hand, to observe a flexibility increase of 31% of the dense stem.

The second article concerns the post-operative bone resorption assessment resulting from the evolution of the equivalent strains at the outer surface of the femur. This is made possible by using a numerical model of a synthetic femur implanted, which is setup similarly to the mechanical test of the first article. The digital image correlation system is also used in this case to validate the numerical model. Finally, the porous stem shows a surface ratio of bone resorption lower (18.4%) to that of its dense version (22.8%).

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 111-129).
Mots-clés libres: prothèse de la hanche, tige fémorale biomimétique, structure poreuse métallique sur l’architecture atomique cristalline du diamant, Fabrication additive, test in vitro, corrélation d’image numérique, analyse par éléments finis
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Codirecteur:
Codirecteur
Terriault, Patrick
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 19 nov. 2018 20:34
Dernière modification: 19 nov. 2018 20:34
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2153

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