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Optimisation de la topologie pour les dispositifs médicaux conformes

Si vous placez simplement un implant orthopédique dans un être humain sans tenir compte de la flexibilité de l’os de remplacement, vous risquez ce que l’on appelle la «protection contre le stress».

Cela est dû à un phénomène appelé «loi de Wolff», où l’os naturel devient moins dense en raison des variations de stress de l’implant. L’os environnant s’adapte au stress et remodèle sa mésostructure via un processus de résorption osseuse. L’inadéquation entre les densités et les flexibilités du matériau peut entraîner des zones de croissance denses de l’os et peut entraîner une douleur pour le patient, et finalement le rejet et le retrait de l’implant.

Il est donc important de s’assurer que l’implant de remplacement correspond à la flexibilité de l’os à remplacer. Les implants porteurs doivent être conformes.

Une méthode pour ce faire consiste à utiliser l’optimisation de la topologie et la fabrication additive, où les structures trabéculaires de l’os peuvent être répliquées (dans une certaine mesure). C’est mieux qu’un os en titane solide, en gros. Les poutres trabéculaires de l’implant permettent une certaine flexibilité, tout en restant légères et confortables pour l’implant.

L’image ci-dessous montre la différence de perte osseuse entre un implant fémoral en titane solide et un implant en titane entièrement poreux imprimé en 3D.

Implant solide ou poreux

Un autre point à noter est que les structures solides ont des difficultés avec l’ostéointégration. Une structure poreuse permet à l’os de mieux fusionner avec l’implant.

Dans l’ensemble, les structures métalliques poreuses et imprimées ont beaucoup à offrir au monde de la prothèse.

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Jetons un coup d’œil au comportement de certaines de ces structures sous charge, et comment les ingénieurs fabriquent des matériaux solides et rigides comme le titane… flexibles!

L’image ci-dessous montre un tracé de Von Mises d’une structure de réseau imprimée en 3D subissant une compression.

von mises

S’il s’agissait d’un morceau solide de titane, il n’y aurait aucune flexibilité. Prenez ce morceau de titane et roulez-le en un fil fin, et il est flexible.

C’est effectivement ce que nous voyons dans l’image ci-dessus. Les éléments individuels dans le treillis ont suffisamment de flexibilité pour dévier sous la charge, tout en restant dans le non déformé. Les poutres se replient en place lorsque la charge est retirée, comme tout autre matériau hookean.

Lorsque vous empilez ces poutres, comme dans le treillis, la flèche totale est essentiellement la flèche cumulée des éléments individuels. Une couche dévie et la force restante est envoyée dans la couche inférieure, qui dévie, et ainsi de suite…

En étudiant les paramètres de contrainte et de déplacement à des valeurs de compression différentes, les champs de contrainte et de déplacement peuvent être combinés mathématiquement en une fonction.

Champ de stress localisé

Une fois que cette fonction est déterminée, les ingénieurs peuvent régler la structure par ordinateur (avec une optimisation de la topologie ou une conception générative) pour fournir un ensemble personnalisé de sorties pour un lot spécifique d’entrées, parfaitement adapté aux besoins du patient.

paramètres mésostructure personnalisée

Comme vous pouvez le voir dans l’image ci-dessus, les paramètres d’intérêt dans ce cas sont la cible de déplacement, la force maximale / minimale et la quantité d’enlèvement de matière requise.

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Le résultat final est une mésostructure personnalisée qui peut fléchir et dévier selon les exigences du concepteur, et un patient implanté heureux qui peut maintenant marcher confortablement sans se soucier de devoir changer à nouveau son fémur ou sa hanche dans 5 ou 10 ans.

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