Los implantes con microarquitectura 3D optimizan la ortopedia

Como sabemos ahora, la tecnología de fabricación aditiva existe desde hace algún tiempo y evoluciona todos los días, pero el diseño sigue siendo la clave para desbloquear todo el potencial de esta tecnología. Con esto en mente, investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) han publicado su trabajo reciente sobre el diseño óptimo de implantes de microarquitectura 3D. En este trabajo, los investigadores amplían los límites del diseño óptimo de implantes ortopédicos. Los implantes optimizados con microarquitectura, adecuados para la fabricación aditiva, dan como resultado un aumento significativo en el rendimiento con respecto a un diseño de implante sólido convencional.

Los avances recientes en materiales de microarquitectura imprimibles en 3D ofrecen posibilidades sin explotar para el desarrollo de implantes ortopédicos altamente personalizados. Los implantes, que generalmente están hechos con materiales completamente sólidos, alteran significativamente la transmisión de la carga al tejido óseo circundante, lo que puede provocar inestabilidad en la interfaz y reabsorción ósea. En este trabajo, los investigadores presentan una metodología de optimización numérica computacional basada en gradientes para sintetizar automáticamente implantes 3D específicos del paciente con microarquitectura heterogénea. Su método minimiza simultáneamente los riesgos de fractura de interfaz inducida por carga y remodelación ósea periprotésica, mientras mantiene las limitaciones de funcionalidad y producción en primer lugar.

Primero, los investigadores desarrollaron una nueva microarquitectura paramétrica con atributos funcionales deseables y una amplia gama de propiedades mecánicas efectivas, incluidas las relaciones de Poisson tanto positivas como negativas. Luego, los investigadores presentaron formulaciones que optimizan la configuración espacial de los parámetros de la microarquitectura para minimizar simultáneamente el riesgo de fractura de la interfaz inducida por la carga y la remodelación ósea posoperatoria. Para ello, se plantea un nuevo objetivo de remodelado óseo, teniendo en cuenta tanto la aposición como la reabsorción ósea, predichas mediante un modelo basado en la densidad de energía-deformación. El objetivo de fractura de la interfaz se define como el valor máximo del criterio de falla multiaxial de Hoffman a lo largo de la interfaz.

El procedimiento se aplica al diseño de implantes de cadera de titanio 3D con geometrías convencionales prescritas y se compara, in silico, tanto con un implante sólido convencional como con un diseño reticular homogéneo de baja rigidez. El implante optimizado con microarquitectura 3D da como resultado una mejora del rendimiento del 64,0 % en términos de remodelación ósea y del 13,2 % en términos de riesgo de fractura de interfaz, en comparación con un diseño de implante sólido convencional.

La investigación se publica, de acceso abierto, en la revista Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, junio de 2022.

Sobre Andrea Gambini

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