High-strength fully porous biomaterials for bone replacement and their application to a total hip replacement

High-strength fully porous biomaterials built with additive manufacturing provide an exciting opportunity for load-bearing orthopedic applications. The first portion of this work presents two high-strength stretch-dominated topologies, the Tetrahedron and the Octet truss, as well as an intuitive visualization method to understand the relationship of cell topology, pore size, porosity while constrained by bone ingrowth requirements, and additive manufacturing limitations. 40 samples of selected porosities are fabricated using Selective Laser Melting (SLM), and their morphological deviations resulting from SLM are assessed via micro-CT. Mechanical compression testing is used to obtain stiffness and strength properties. The results show that the mechanical strength is almost 5 times stronger than that of tantalum foam, an existing fully porous biomaterial used in orthopedics. In the second portion of this work, the developed fully porous biomaterial is applied to a total hip replacement to reduce bone loss secondary to stress shielding. Current stems used in total hip arthroplasty are made from fully solid materials and are much stiffer than the natural bone. The drastic difference in stiffness leads to reduced stress on the surrounding bone which manifests as a reduction in bone quality surrounding the implant. The reduction in bone stock can lead to serious complications such as periprosthetic fracture, and increased risk during a revision surgery. A hip replacement implant made with a fully porous tuned microarchitecture allows for a reduction in stress shielding while respecting bone ingrowth and manufacturing limitations. An in-vitro experiment is conducted on six composite femurs that are divided and implanted with either an optimal porous implants or a fully solid control stem, both with equivalent implant macro geometry. Both the intact and implanted femurs are loaded in a quasi-physiological loading state. The surface strain on the medial calcar is recorded using Digital Image Correlation (DIC). The change of strain between intact and implanted femur is used as a proxy for stress shielding. Femurs implanted with a fully porous stem showed a significant reduction of 60% of the medial calcar in Gruen zone 6 susceptible to resorption. This serves as the first experimental demonstration that a tuned fully porous hip replacement has the possibility to reduce stress shielding and the associated clinical complications.Les biomatériaux entièrement poreux à haute résistance construits avec la fabrication additive fournissent une excellente occasion pour des applications orthopédiques structurales. La première partie de cet ouvrage présente deux topologies à haute résistance étirement dominé, le tétraèdre et le Octet truss, ainsi qu'une méthode de visualisation intuitive afin de comprendre la relation de la topologie de la cellule, la taille des pores et la porosité, tout en limitant les exigences de croissance osseuse et les limitations de fabrication d'additifs. Quarente échantillons de porosités sélectionnés sont fabriqués en utilisant la fusion sélective par laser (SLM), et leurs écarts morphologiques résultant du procédé SLM sont évalués par microtomographie. L'essai de compression mécanique est utilisé pour obtenir des propriétés de raideur et de résistance. Les résultats démontrent que la résistance mécanique est presque cinq fois plus forte que celle de la mousse de tantale, un biomatériau entièrement poreux actuellement utilisé en orthopédie.Dans la deuxième partie de ce travail, le biomatériau entièrement poreux développé est appliqué à un remplacement de la hanche afin de réduire la perte osseuse secondaire du au « stress shielding ». Les tiges actuellement utilisé dans l'arthroplastie totale de la hanche sont fabriquées à partir de matériaux entièrement solides et sont beaucoup plus raideur que l'os naturel. La différence radicale de la raideur mène à une réduction du stress sur l'os entourant qui se manifeste par une réduction de la qualité de l'os entourant l'implant appelé « stress shielding ». La réduction de la masse osseuse peut entraîner des complications graves comme une fracture périprosthétique, et augmente considérablement le risque d'une chirurgie de révision. Lorsque c'est appliqué à un implant de arthroplastie de la hanche, le les biomatériaux entièrement poreux à haute résistance avec microarchitecture réglée permettent une réduction du « stress shielding » en respectant les exigences de croissance osseuse et de fabrication. Afin d'évaluer les réclamations de réduction du « stress shielding », une expérience est menée sur six fémurs composites qui sont divisés et implantés avec soit un implant poreux optimal ou une tige entièrement solide comme contrôle, avec la géométrie macro implant équivalent. Les deux fémurs intactes et implantés sont chargés dans un état quasi-physiologique. La déformation de surface sur la calcar médial est enregistrée en utilisant la corrélation d'images numériques. Le changement de déformation entre le fémur intact et implanté est utilisé comme proxy pour le « stress shielding ». Les fémurs implantés avec une tige entièrement poreux ont montré une réduction significative de 60% dans la zone Gruen 6. Cela sert comme la première démonstration expérimentale que le remplacement totalement poreuse réglé de la hanche totalement poreuse a la possibilité de réduire le « stress shielding » et les complications cliniques associées