Computational design of functionally graded hip implants by means of additively manufactured porous materials

Quevedo González, Fernando José (2016). Computational design of functionally graded hip implants by means of additively manufactured porous materials. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Two of the main mechanically related problems of hip implants are the bone resorption due to the reduction of the stresses in the bone caused by the presence of the implant (stress shielding), and the interfacial failure caused by inadequate stress distribution at the bone-implant interface. While stiff implants increase stress shielding, flexible implants cause higher contact interfacial stresses. A compromise is thus needed, and two design stratégies have been suggested: 1) optimize the hip implant shape, or 2) optimize the functional gradation of mechanical properties of the implant. Additive manufacturing (AM) allows for the fabrication of implant shapes with almost no restrictions, and the production of porous materials whose mechanical properties are dependent on their geometrical parameters, which can be controlled. Therefore, AM allows for the production of implants having optimized shape and optimized functional gradation of mechanical properties. In addition, AM allows for quick design modifications and the possibility of patient-specific implants.

This thesis aims at taking advantage of the capabilities offered by AM for the design of the shape and functional gradation of the mechanical properties of hip stems in order to improve the mechanical compatibility with the bone (i.e. reduce the stress shielding and generate adequate interfacial stresses). To this end, finite element (FE) models are used to predict the mechanical behavior of the porous materials when designing hip stems. In a first step, the cost-effectiveness of the FE modeling approach for porous materials (e.g. beam or solid finite elements and sample size choice) was evaluated. In a second step, the irregularities that arise during the manufacturing process (e.g. strut inclination, strut diameter variation and strut elimination) were included in the FE model in order to enhance the correlation with experimental data. In the third part of this work, the shape and distribution of mechanical properties of a hip stem were optimized in order to reduce the bone loss and generate adequate interfacial stresses. The FE model of the porous material developed in the previous steps was then used to obtain the optimized distribution of mechanical properties of the stem.

The present work provides a methodology for obtaining accurate predictions of the mechanical behavior of AM porous materials. Furthermore, it provides a framework to conceive optimized hip implants having enhanced mechanical compatibility with the bone and produced with AM. To this end, optimized shape is combined with porous materials to achieve a functional gradation of the mechanical properties of the implants.

Titre traduit

Conception numérique d'implants de hanche avec des propriétés mécaniques graduées à l'aide des matériaux poreux produits par fabrication additive

Résumé traduit

Deux des principaux problèmes des implants de la hanche ayant une origine mécanique sont la résorption osseuse causée par une réduction de contraintes dans l'os suite à la présence de l'implant (protection des contraintes) et l’échec à l’interface dû à une distribution inadéquate des contraintes de contact. Des implants rigides contribuent à la protection des contraintes, tandis que des implants flexibles causent des contraintes de contact plus élevées. Afin de trouver un compromis, deux approches ont été proposées: optimiser la forme ou optimiser la gradation fonctionnelle des propriétés mécaniques de l’implant. La fabrication additive (FA) permet de produire presque n'importe quelle forme d'implant, ainsi que de fabriquer des matériaux poreux, dont les propriétés mécaniques dépendent de leur structure, qui peut être contrôlée. Il est donc possible d’obtenir des implants avec une géométrie et une gradation des propriétés mécaniques optimisées. De plus, la FA permet de faire des changements instantanés dans le design, permettant la conception d’implants sur mesure.

Cette thèse vise à exploiter les possibilités de la FA pour la conception d'implants ayant une forme et une gradation des propriétés mécaniques optimisées afin d'améliorer la compatibilité mécanique de l'implant avec l’os (i.e. réduire la protection de contraintes et générer des contraintes à l’interface adéquates). Des modèles éléments finis (ÉF) ont été utilisés pour évaluer le comportement mécanique du matériau poreux ainsi que pour concevoir la tige de hanche. Dans un premier temps, l’approche pour la modélisation par ÉF des matériaux poreux (modèles de poutres ou solides, choix de la taille de l’échantillon) a été évaluée en termes de son rapport coût-efficacité. Ensuite, les imperfections dues à la fabrication des matériaux poreux (inclination, variation du diamètre et élimination des barreaux) ont été incluses dans les modèles ÉF précédents afin d'améliorer la correspondance avec les données expérimentales. Enfin, la forme et la distribution des propriétés mécaniques de l’implant de la hanche ont été optimisées afin de réduire la perte osseuse et générer une distribution adéquate des contraintes à l’interface. Le modèle ÉF du matériau poreux développé dans les étapes précédentes a servi à obtenir la distribution optimisée des propriétés mécaniques dans la tige.

Le présent travail fournit un outil pour évaluer avec une bonne précision le comportement mécanique des matériaux poreux produits par FA. De plus, il explore l’amélioration de la compatibilité mécanique obtenue avec des implants de la hanche conçus dans l’optique de la FA, et il développe une méthodologie pour l’optimisation des implants en termes de sa forme et de la distribution de ses propriétés mécaniques, obtenue à l’aide des matériaux poreux.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to L'École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of the doctor of philosophy". Bibliographie : pages 123-134.
Mots-clés libres:	Prothèses de hanche Conception et fabrication. Prothèses de hanche Modèles mathématiques. Prothèses de hanche Propriétés mécaniques. Impression tridimensionnelle. Matériaux à gradient fonctionnel. Matériaux poreux Propriétés mécaniques. Méthode des éléments finis. optimisation des implants de la hanche, implants gradées fonctionnellement, fabrication additive, imperfections de fabrication
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nuño, Natalia
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 nov. 2016 20:14
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1756

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