Tiges monolithiques aux propriétés variables pour la stabilisation de la colonne vertébrale : fabrication et étude biomécanique

Facchinello, Yann (2015). Tiges monolithiques aux propriétés variables pour la stabilisation de la colonne vertébrale : fabrication et étude biomécanique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les tiges utilisées en chirurgie pour l’arthrodèse vertébrale sont rigides pour immobiliser le segment instrumenté et favoriser la fusion osseuse. La rigidité de ces tiges métalliques, ancrées à la colonne vertébrale via des vis pédiculaires, engendre des concentrations de contraintes aux segments adjacents à l’instrumentation qui peuvent provoquer la dégénérescence de ces segments. Récemment, des systèmes de stabilisation dynamiques, plus souples, ont été proposés pour prévenir l’apparition de ces problèmes. Ces systèmes sont cependant mécaniquement complexes et volumineux ce qui implique des bris mécaniques possibles ou des problèmes de recouvrement tissulaire. Également, ces implants ne procurent pas toujours la stabilité nécessaire à la fusion osseuse. L’objectif de ce projet est le développement d’un nouveau type d’implant aux propriétés mécaniques variables pour la stabilisation de la colonne vertébrale. Ces nouveaux implants devraient combiner une grande rigidité la où la stabilité est importante et une certaine souplesse aux extrémités pour réduire les contraintes aux segments adjacents. Les travaux ont été divisés en trois sujets présentés dans trois articles scientifiques.

Dans un premier temps, la technologie de fabrication de tiges aux propriétés variables a été développée. Le matériau choisi est un alliage à mémoire de forme Ti-Ni. Les propriétés mécaniques de ce matériau sont fortement dépendantes du traitement thermomécanique subi lors de la mise en forme. La technique du chauffage par effet Joule a été choisie pour modifier localement les propriétés mécaniques des tiges. Il a été démontré que cette technique permet de modifier localement les propriétés mécaniques d’un fil de deux millimètres de diamètre en quelques minutes de chauffages seulement. Entre la zone chauffée et la zone non recuite, un gradient de propriétés mécanique a été observé. Il a également été constaté lors d’essais de fatigue que les échantillons aux propriétés variables ne présentaient pas une durée de vie inférieure aux fils homogènes.

Par la suite, cette technologie de chauffage localisé a été appliquée avec succès à des tiges de taille similaire aux implants commerciaux (Ø5,5 mm). Afin d’optimiser les paramètres de chauffage (courant, durée) ainsi que le profil de propriétés mécaniques résultant de ce chauffage, un modèle numérique a été développé. Après validation, ce modèle permet de simuler l’impact du chauffage local sur les propriétés mécaniques du matériau. Le modèle d’une tige variable pourrait alors facilement être implanté dans un modèle de colonne vertébrale afin d’optimiser le profil de rigidité.

Afin de caractériser les capacités de stabilisation des tiges aux propriétés variables, des tests biomécaniques in vitro ont été réalisés sur spécimens lombaires porcins. Lors de ces tests, les tiges à rigidité variables ont été comparées aux tiges conventionnelles en titane et aux tiges entièrement superélastiques. L’effet de l’utilisation de crochets transverses à la place des vis en fin d’instrumentation a également été évalué. L’utilisation de tiges variables couplées à des crochets transverses créée une zone de transition entre le segment stabilisé et le segment intact qui réduit les contraintes sur le segment adjacent. Les tiges variables ont également l’avantage de réduire les efforts appliqués sur les crochets, ce qui protège les processus transverses osseux.

Contributions scientifiques

Ce projet apporte un certain nombre de contributions dans les domaines de la science des matériaux et biomédicale qui peuvent être résumées comme suit :

• la technique de fabrication des tiges aux propriétés variables a été développée et validée. Les recuits locaux par effet Joule permettent une fabrication simple et rapide de ces tiges;

• un modèle numérique permettant de simuler l’effet d’un chauffage local sur les propriétés mécaniques hétérogènes d’une tige a été développé et validé;

• une méthodologie expérimentale a été élaborée pour les tests biomécaniques. Cette méthode permet l’évaluation simultanée des rotations intervertébrales, des forces sur les ancrages, des pressions intradiscales ainsi que de la rigidité des spécimens;

• les résultats expérimentaux obtenus lors de l’étude in-vitro peuvent servir au développement et à la validation d’un modèle numérique de colonne instrumentée.

Titre traduit

Rods with variable flexural stiffness for spine correction : manufacturing and biomechanical evaluation

Résumé traduit

Metallic rods used for spinal arthrodesis are stiff and solid to provide the stability needed for fusion and to prevent implant failure. However, the risk of adjacent (noninstrumented) segment disease and fracture also increases with the use of rigid constructs. Dynamic stabilization systems (DSS) have been tested to prevent adjacent segment degeneration. Concerns with such dynamic stabilization systems include possible mechanical failure and degeneration within the stabilized segments. The main objective of this project is to develop a new kind of spinal rod with variable flexural stiffness. Such implant should ideally combine static and dynamic stabilization capabilities with greater stiffness in zones where stability from rigid fixation is critical and lower stiffness in zones where dynamic properties and load-sharing abilities are important.

First, the manufacturing method to build spinal rods of variable flexural stiffness was developed. Local cold working and local Joule-effect annealing were applied on 2 mm Ø Ti-Ni shape memory alloy wires. In particular, it could be demonstrated that an annealing duration of 10 minutes is sufficient to change the material behaviour from elastoplastic to superelastic. It was also observed that a mechanical property gradient is created between the heated and not heated zones. During fatigue testing, the heterogeneous samples were comparable to homogeneous wire considering their number of cycles to failure.

Second, Joule-effect annealing was applied to Ti-Ni rods having a 5.5mm diameter which is comparable to commercial implants. A numerical model was developed and validated to optimize the Joule heating procedure and the flexural stiffness of the rod. The model simulates the interaction between the annealing temperature and the mechanical properties. In the future the rod model should be included in a spine segment to further optimize the flexural stiffness profile of the rod.

Third, in-vitro biomechanical tests were conducted on porcine spine segments to assess the stabilization capability of the Ti-Ni spinal rods with variable flexural stiffness. Spécimens were instrumented using three kinds of rods (Titanium, Ti-Ni superelastic and Ti-Ni with variable stiffness). Two anchor configurations were tested: all pedicle screws and pedicle screws with a transverse hook at the upper instrumented level (UIV). The results indicate that a combination of transverse hooks and softer (Ti-Ni superelastic and Ti-Ni half stiff − half superelastic) rods provides more motion at the UIV level and applies less force on the anchors, potentially improving the load sharing capability of the instrumentation.

Scientific contributions

Scientific contributions of this work can include:

• An original manufacturing technique to produce Ti-Ni rods with variable flexural stiffness was proposed and validated. Joule-effect annealing appeared to be an easy, reliable and fast process to manufacture such rods;

• An original finite element model capable of simulating the impact of local annealing on the bending stiffness of spinal rods was developed and validated;

• An experimental methodology for in-vitro biomechanical testing of porcine spine segments was developed and validated. During these tests, vertebral rotations, specimen stiffness, forces on anchors and intradiscal pressures were recorded;

• The results of in-vitro testing can be used for the development and validation of an instrumented numerical spine model.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 135-139.
Mots-clés libres:	Implants rachidiens Conception et fabrication. Implants rachidiens Propriétés mécaniques. Alliages à mémoire de forme. Alliages nickel-titane Traitement thermomécanique. Recuit des métaux. Biomécanique. Arthrodèse. Colonne vertébrale Chirurgie. fusion vertébrale, tige aux propriétés mécaniques variables, étude biomécanique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brailovski, Vladimir
Codirecteur:	Codirecteur Petit, Yvan Mac-Thiong, Jean-Marc
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	21 déc. 2015 21:15
Dernière modification:	21 déc. 2015 21:15
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1588

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