Design, modeling and characterization of lattice structures for orthopedic implant applications

Resumen

El interés en las estructuras lattice ha incrementado en los últimos años gracias a los avances en la fabricación aditiva. Esto a devenido en diseños cada vez más complejos y la fabricación de piezas que hasta hace poco eran imposibles de producir. Estos avances han posibilitado la creación de estructuras lattice que imitan los sólidos celulares de la naturaleza, lo que ha atraído la atención debido a sus posibles aplicaciones en la industria aeronáutica y biomédica. Estas estructuras se pueden diseñar para que tengan una rigidez y resistencia personalizadas Uno de los problemas de los implantes tradicionales, hechos de piezas monolíticas de Ti6Al4V, CoCr, Ti puro, etc., es la diferencia de rigidez entre el hueso y el implante metálico, lo que crea el denominado “stress shielding”. El “stress shielding” se da cuando el hueso alrededor del implante deja de soportar las principales cargas fisiológicas porque el implante, al ser más rígido, las soporta en su lugar. El hueso es un tejido vivo que se crea o reabsorbe dependiendo de las cargas para optimizar su funcionamiento. Por ello, la diferencia de rigidez entre el hueso y el implante provoca la resorción ósea debida a la falta de estímulo mecánico en el hueso. Así, el hueso alrededor del implante pierde densidad y se debilita. Esto causa dolor al paciente y afecta la estabilidad del implante, que puede llegar a soltarse. Las estructuras lattices ofrecen la posibilidad de crear implantes porosos con propiedades mecánicas personalizadas para que coincidan con la rigidez del hueso que los aloja, evitando así el “stress shielding” y la posterior resorción ósea. Además, las estructuras lattice forman piezas porosas con una gran relación superficie/volumen, lo que posibilita la creación de hueso dentro del implante, ayudando a su fijación y estabilidad a largo plazo. Este trabajo está dedicado al desarrollo de herramientas para diseñar estructuras lattice con propiedades mecánicas prefijadas, además de profundizar en los factores que afectan a dichas propiedades. Así, el principal objetivo de esta tesis es crear estructuras lattice que imiten la rigidez del hueso y que se puedan aplicar en implantes ortopédicos para evitar el “stress shielding”. Además, los implantes ortopédicos deben soportar millones de ciclos de carga durante la vida de los pacientes, por lo que el estudio de la fatiga en las estructuras también se ha estudiado en esta tesis. Por último, la gran resolución requerida para utilizar las estructuras en implantes ortopédicos lleva a las máquinas de fabricación aditiva a los límites de su capacidad. Esto causa importantes desviaciones respecto a las geometrías diseñadas, y por tanto de sus propiedades mecánicas. Otro objetivo de este trabajo es entender el impacto de las desviaciones en la fabricación en la rigidez de las estructuras. Los resultados obtenidos muestran que hay diferentes posibilidades a la hora de diseñar estructuras con rigideces comparables al hueso. Los modelos analíticos y semi analíticos desarrollados predicen y permiten diseñar las propiedades mecánicas de las estructuras para diferentes topologías. Estos modelos se pueden usar junto con datos personalizados del hueso para imitar su rigidez. Asimismo, la anisotropía de la estructura se puede controlar para que se adapte mejor a las condiciones de carga que se dan en diferentes zonas. En cuanto a las cargas dinámicas, se han comparado las herramientas de predicción de la vida a fatiga en la literatura, y se ha desarrollado una superficie de fallo a fatiga para predecir de manera simple la vida a fatiga de las estructuras. También se ha concluido que el prensado isostático en caliente mejora la resistencia a fatiga de las estructuras. Por último, se han estudiado las desviaciones de fabricación desarrollando un procedimiento para analizar el nivel de imperfección, e incluyendo esas imperfecciones en modelos numéricos que predicen la anisotropía de las estructuras.