Struttura reticolare progettata razionalmente per protesi ossee vertebrali trabecolari

This thesis describes the method and the results of the design and experimental validation of a new porous lattice structure for a lumbar vertebral prosthesis. Unstable vertebral body compression fractures, spinal tumors and post-traumatic deformities require a total vertebral body replacement (VBR). The reconstruction of the vertebral segment consists of a spinal arthrodesis, where a vertebral implant, also called cage, is inserted after a total corpectomy in combination with an internal spinal fixation device. Recently developed additive manufacturing techniques allow the production of titanium biomaterials (i.e. gyroid lattice structures) with interconnected porosity which ensures high tissue ingrowth and vascularization. However, these implants show several complications, including a localized contact between prosthetic and vertebral endplates, and higher modulus of elasticity which increases stress shielding and potential subsidence. In this work, a novel porous lattice structure was developed for human cancellous bone vertebral implants. The work focuses on the design and experimental validation of a new 3D printed titanium-based lattice structure, with the aims to improve fatigue life resistance and, at the same time, to achieve similar mechanical properties to that of the human trabecular bone. The proposed solution is an innovative meta-biomaterials that consists of a high porous auxetic rotating cubes geometry with negative value of Poisson’s ratio. The structural design of this structure is based on an efficient and robust design process, which considers the most critical factors of the vertebral body resection and the lumbar spinal fatigue loading. In order to evaluate the mechanical response of the VBR lattice structure for different rotating auxetic configurations, 2D and 3D finite element models of the system were used. The optimization identified some peculiar configurations of the auxetic lattice system that can reduce the maximum stresses for global strains up to 3%. To assess the structural response of the proposed architecture, we manufactured a prototype in titanium alloy material (Ti6Al4V ELI) through the direct metal laser sintering (DMLS) 3D-printing technique and performed a compressive test by measuring the displacement field of the specimen through a digital imagine correlation (DIC). The experimental results confirmed the numerical predictions in terms of Poisson’s ratio and mechanical properties. By comparing the proposed solution with the actual VBR lattice structures from the literature, it appears a noticeable stress reduction with improved elastic properties combined with an easy manufacturing.

La presente tesi descrive il metodo e i risultati relativi alla progettazione e validazione sperimentale di una nuova struttura reticolare porosa per protesi vertebrali di tipo lombare. Fratture vertebrali, tumori spinali e deformità post-traumatiche comportano molto spesso la rimozione del corpo vertebrale danneggiato, nota come Total Vertebral Body Replacement (VBR). La ricostruzione della colonna vertebrale consiste in un’artrodesi spinale, dove un impianto vertebrale, denominato “gabbia”, viene inserito dopo una corpectomia totale in combinazione con un sistema di fissazione secondario. Tecniche di produzione additiva di recente sviluppo consentono la produzione di differenti strutture trabecolari in titanio ad elevata porosità (ad es. strutture giroidali), in grado di assicurare elevati livelli di fusione ossea e vascolarizzazione. Tuttavia, questi tipi di impianto mostrano numerose complicazioni, tra le quali contatti localizzati tra le placche terminali protesiche e le placche terminali vertebrali, e valori del modulo elastico della struttura molto elevati che aumentano il rischio di ipo-sollecitazione ossea (stress shelding) e i fenomeni di subsidenza della struttura. In questo lavoro, viene presentata un’originale struttura porosa per impianti ossei vertebrali trabecolari. Il lavoro si focalizza sulla progettazione e la convalida sperimentale di una nuova struttura in titanio in stampa 3D, che ha lo scopo di incrementare la durata a fatica dell’impianto, e allo stesso tempo, ottenere proprietà meccaniche simili a quelle dell’osso trabecolare umano. La soluzione proposta è un’innovativa struttura in metamateriale reticolare biocompatibile composta da una geometria a cubi auxetici altamente porosa che presenta un valore del coefficiente di Poisson negativo. La definizione della struttura ottimale si basa su un processo di progettazione efficiente e robusto che considera le problematiche operative in fase di resezione del corpo vertebrale e le sollecitazioni critiche che agiscono lungo il tratto spinale. Allo scopo di valutare la risposta strutturale del sistema per differenti configurazioni dell’architettura proposta, vengono utilizzati modelli 2D e 3D agli elementi finiti della struttura. L’ottimizzazione identifica specifiche combinazioni dei parametri geometrici della struttura auxetica in grado di ridurre la tensione massima sul sistema per deformazioni fino al 3% della struttura. Al fine di verificare la risposta strutturale della soluzione proposta, è stato realizzato un prototipo della geometria in lega di titanio (Ti6Al4V ELI) tramite la tecnica di stampa 3D a sinterizzazione laser DMLS, eseguendo una prova di compressione statica sul provino e monitorando il campo degli spostamenti con un sistema di correlazione d’immagini digitale (DIC). I risultati sperimentali confermano le previsioni numeriche in termini di coefficiente di Poisson e caratteristiche meccaniche. Confrontando la soluzione proposta con le strutture presenti in letteratura, si nota una notevole riduzione delle sollecitazioni puntuali sul sistema poroso con eccellenti proprietà elastiche in combinazione con una buona facilità di realizzazione.