Design, modeling and characterization of lattice structures for orthopedic implant applications.
Keywords: 
Additive manufacturing
Multiscale modeling
Lattice structures
Mechanics of materials
Finite element modeling
Issue Date: 
19-Jul-2022
Defense Date: 
6-Jul- 202
Publisher: 
Servicio de Publicaciones, Universidad de Navarra
Citation: 
ALAÑA, Markel "Design, modeling and characterization of lattice structures for orthopedic implant applications".Lopez de Arancibia, A. y Ruiz de Galarreta, S. (dirs.) Tesis doctoral. Universidad de Navarra, Pamplona, 2022
Abstract
Interest in lattice structures has soared in recent years thanks to the advances in the field of additive manufacturing, which has led to increasingly complex designs and the production of parts which was impossible up to not long ago. These advances enabled to create lattice structures that mimic the cellular solids of nature, which attracted broad attention due to its applicability in the aerospace and biomedical industries. These structures can be designed to have predefined stiffness and strength values, which enables the production of parts with engineered mechanical properties. One problem of traditional implants made of monolithic parts of Ti6Al4V, CoCr, pure Ti, etc., is the mismatch between the stiffness of the host bone and the metallic implant, which creates the so-called stress shielding. Stress shielding occurs when the bone adjacent to the implant does not have to withstand the main physiological loads because the much stiffer implant bears them in its place. Bone is a living tissue, which is created or resorbed (diluted in blood) depending on the loads to optimize its functionality. Thus, the stiffness mismatch between bone and the implant leads to the bone resorption due to the lack of mechanical stimuli on the host bone. The bone surrounding the implant loses density and weakens, which causes pain to the patient, affects implant stability, and may lead to the loosening of the implant. Lattice structures offer the possibility to create porous implants with tailored mechanical properties to match the stiffness of the surrounding bone, thus avoiding stress shielding and subsequent bone loss. Furthermore, lattice structures form porous parts with high surface to volume ratios, and this porosity enables the bone ingrowth within the implant, improving its fixation and long-term stability. This work is devoted to the development of tools to design lattice structures with controlled mechanical properties, as well as to deepen into the factors that affect such properties. Thus, the main purpose of this dissertation is to create lattice structures that mimic bone stiffness and could be implemented in orthopedic implants to avoid the stress shielding. In addition, orthopedic implants must withstand millions of load cycles throughout the lifetime of the patients, thus the fatigue behavior of the structures was also studied in this thesis. Finally, the small feature sizes required to implement such structures in orthopedic implants requires to reach the manufacturing limits of current additive manufacturing technologies, which induces important deviations from the actually designed geometry and in turn the mechanical properties. Another goal of this work is to understand the impact of such manufacturing deviations on the stiffness of the structures. The obtained results show that there are different possibilities to design structures with stiffness levels comparable to bone. The developed analytical or semi-analytical models predict and enable to design the mechanical properties of the structures for different topologies. These models can be used with personalized bone data to mimic the bone stiffness of each patient. Furthermore, the anisotropy of the structures can also be controlled to adapt it to the complex loads that arise in various anatomical sites. Regarding dynamic loads, fatigue life prediction tools in literature were compared and adapted to improve their applicability, and a fatigue failure surface was developed to easily predict the fatigue life of the structures. Moreover, it was concluded that hot isostatic pressing enhanced the fatigue strength of the structures. Finally, the manufacturing deviations were studied, developing a methodology to consider the proximity to the nodes in the analysis of the imperfection level, and to include such imperfections in a numerical model that predicts the change of anisotropy in the structure.
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.

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