Ortopedia

Gli impianti con microarchitettura 3D ottimizzano l’ortopedia

Sulla base della ricerca della Delft University of Technology, gli impianti adatti all'AM determinano un aumento significativo delle prestazioni

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Come ormai sappiamo, la tecnologia di produzione additiva esiste da un po’ di tempo e si evolve ogni giorno, ma il design è ancora la chiave per sbloccare il pieno potenziale di questa tecnologia. Considerando questo, i ricercatori della Delft University of Technology (TU Delft) hanno pubblicato il loro recente lavoro sulla progettazione ottimale di impianti 3D con microarchitettura. In questo lavoro, i ricercatori spingono i confini del design ottimale degli impianti ortopedici. Gli impianti ottimizzati con microarchitettura, adatti per la produzione additiva, determinano un aumento significativo delle prestazioni rispetto a un design di impianto solido convenzionale.

I recenti progressi nei materiali di microarchitettura stampabili in 3D offrono possibilità non sfruttate per lo sviluppo di impianti ortopedici altamente personalizzati. Gli impianti, che sono in genere realizzati con materiali completamente solidi, alterano in modo significativo la trasmissione del carico al tessuto osseo circostante, portando potenzialmente all’instabilità dell’interfaccia e al riassorbimento osseo. In questo lavoro, i ricercatori presentano una metodologia di ottimizzazione numerica computazionale basata su gradiente per sintetizzare automaticamente impianti 3D, specifici per il paziente, con microarchitettura eterogenea. Il loro metodo riduce simultaneamente al minimo i rischi di frattura dell’interfaccia indotta dal carico e di rimodellamento osseo periprotesico, mantenendo al contempo funzionalità e vincoli di produzione al primo posto.

In primo luogo, i ricercatori hanno sviluppato una nuova microarchitettura parametrica con attributi funzionali desiderabili e un’ampia gamma di proprietà meccaniche efficaci, compresi i rapporti di Poisson sia positivi che negativi. I ricercatori hanno quindi presentato formulazioni che ottimizzano la configurazione spaziale dei parametri della microarchitettura al fine di ridurre contemporaneamente al minimo il rischio di frattura dell’interfaccia indotta dal carico e il rimodellamento osseo post-operatorio. A tal fine, viene ideato un nuovo obiettivo di rimodellamento osseo, tenendo conto sia dell’apposizione ossea che del riassorbimento, previsti tramite un modello basato sulla densità di energia-deformazione. L’obiettivo di frattura dell’interfaccia è definito come il valore massimo del criterio di rottura multiassiale di Hoffman lungo l’interfaccia.

La procedura viene applicata alla progettazione di impianti d’anca 3D in titanio con geometrie convenzionali prescritte e confrontata, in silico, sia con un impianto solido convenzionale che con un design reticolare omogeneo a bassa rigidità. L’impianto ottimizzato con microarchitettura 3D si traduce in un miglioramento delle prestazioni del 64,0% in termini di rimodellamento osseo e del 13,2% in termini di rischio di frattura dell’interfaccia, rispetto a un design di impianto solido convenzionale.

La ricerca è pubblicata, ad accesso libero, sulla rivista Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, giugno 2022.

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