RO135703A2

RO135703A2 - Femoral component with cellular structures of lattice girder type, made by selective laser sintering from biocompatible metal powders

Info

Publication number: RO135703A2
Application number: RO202000725A
Authority: RO
Inventors: Nicoleta Mirela Popa; Nichita Larisa Milodin; Mihai Tutoveanu; Flavia Petruţa Georgiana Artimon
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Mecatronică Şi Tehnica Măsurării - Incdmtm
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2022-05-30

Abstract

The invention relates to a femoral component to be used as a total hip prosthesis with lattice girder structures which are capable to provide an elastic behavior as similar as possible to the host bone, thereby diminishing the effect of typical stress in the bone and, implicitly, the bone resorption which is the main cause of the early aseptic implant loosening. According to the invention, the implant consists of three zones: a. a proximal zone comprising a neck portion (1) provided at the top with a conical surface (a) to be coupled with the spherical component (2); b. the medial zone and the distal zone having flattened shape (b) in the frontal plane and conical shape (c) in the sagittal plane, in order to provide optimization of effort transfer from the bone-prosthesis assembly to the femoral component body, both in the proximal zone and in the medial and distal zones, including regular cellular structures of the lattice girder type (3) with different topologies, porosities and dimensions, allowing optimization of design parameters, in order to faithfully reproduce the elasticity of the cortical bone, meant to considerably diminish the bone density decrease.

Description

«MnmnMMMWMW^BSWvwawMNWncc Ci P£N î RU INVHMȚlf Și MAWCii ] Cerere de brevet de invenție«MnmnMMMWMW^BSWvwawMNWncc Ci P£N î RU INVHMȚlf And MAWCii ] Application for invention patent

---------------- --------------1---------------1---------------- --------------1--------------1

Componentă femurală cu structuri celulare de tip grindă cu zăbrele realizată prin sinterizare selectivă cu laser din pulberi metalice biocompatibileFemoral component with lattice beam cellular structures made by selective laser sintering of biocompatible metal powders

Invenția se referă la o componentă femurală pentru proteza totală de șold, fabricată prin sinterizare selectivă cu laser din pulberi metalice biocompatibile, caracterizată de un design biomimetic și proiectată astfel încât să reproducă cu fidelitate structura internă și elaticitatea specifică țesutului osos cortical, elasticitatea fiind principalul factor ce determină apariția tensiunilor specifice în osul gazdă iar la interfața os-implant are loc o îmbunătățire considerabilă a procesului de osteointegrare și de fixare a implantului pe termen lung. Designul biomimetic include o structură specifică alcătuită din unități celulare regulate, deschise, cu topologii, porozități și dimensiuni diferite, ce au ca principal obiectiv facilitarea trasmiterii tensiunilor de la implant la osul gazdă, tensiuni ce apar și în osul neprotezat în mod natural și care stimulează creșterea celulelor ososase, mărind astfel șansele de succes ale intervenției chirurgicale.The invention relates to a femoral component for total hip prosthesis, manufactured by selective laser sintering of biocompatible metal powders, characterized by a biomimetic design and designed to faithfully reproduce the internal structure and elasticity specific to cortical bone tissue, elasticity being the main factor which causes the appearance of specific tensions in the host bone and at the bone-implant interface there is a considerable improvement in the process of osseointegration and fixation of the implant in the long term. The biomimetic design includes a specific structure made up of regular, open cellular units with different topologies, porosities and sizes, whose main objective is to facilitate the transmission of stresses from the implant to the host bone, stresses that also occur in the unprotected bone naturally and which stimulate the growth of bone cells, thus increasing the chances of success of the surgical intervention.

Artroplastia totală de șold, intervenția chirurgicală prin care cartilajul și capetele articulare ale articulației coxo-femurale sunt îndepărtate și înlocuite cu un implant, este una dintre cele mai de succes operații din punct de vedere clinic. Cu toate acestea, 10-20% dintre artroplastiile totale necesită intervenții chirurgicale de revizie, deoarece apare slăbirea aseptică a componentelor, cauzată de solicitările apărute la interfața os-implant. Operațiile de revizie au un nivel de dificultate mai ridicat, principala cauză fiind resorbția osoasă apărută de timp și prezintă un risc deosebit, în special pentru pacienții vârstnici. De asemenea, fenomenul de resorbție osoasă crește riscul fracturilor de femur, ceea ce îngreunează operațiile de revizie.Total hip arthroplasty, the surgical intervention in which the cartilage and articular ends of the coxofemoral joint are removed and replaced with an implant, is one of the most successful operations from a clinical point of view. However, 10-20% of total arthroplasties require revision surgery because aseptic loosening of the components occurs due to stresses at the bone-implant interface. Revision operations have a higher level of difficulty, the main cause being the bone resorption that occurs over time and present a particular risk, especially for elderly patients. Also, the phenomenon of bone resorption increases the risk of femur fractures, which complicates revision operations.

în mod natural, încărcările de forțe în articulație sunt preluate de femur de la capul femural la țesutul cortical, prin intermediul gâtului femural. Majoritatea protezelor de șold, fiind realizate din metal solid, sunt mai rigide decât femurul; componentele implantabile nu preiau încărcările întrun mod similar cu cel al osului gazdă, ceea ce determină deteriorarea osului gazdă și produc fenomenul de resorbție deoarece, conform legii lui Wolff, osul sănătos gazdă se remodelează ca răspuns la solicitările la care este supus.Loads of forces in the joint are naturally carried by the femur from the femoral head to the cortical tissue via the femoral neck. Most hip prostheses, being made of solid metal, are more rigid than the femur; the implantable components do not take the loads in a similar way as the host bone, which causes damage to the host bone and produces the phenomenon of resorption because, according to Wolff's law, the healthy host bone remodels in response to the stresses it is subjected to.

Rigiditatea componentei femurale este o variabilă de proiectare pentru încetinirea resorbției osoase. Modelul de bază al remodelării osoase este caracterizat prin atrofie corticală proximală și hipertrofie corticală distală șî medulară. Componentele femurale cu rigiditate scăzută pot modificaFemoral component stiffness is a design variable to slow bone resorption. The basic pattern of bone remodeling is characterized by proximal cortical atrophy and distal cortical and medullary hypertrophy. Femoral components with low stiffness can modify

POPA Nicoleta Mirela:POPA Nicoleta Mirela:

MILODIN Nichita LarisaMILODIN Nikita Larisa

TUTOVEANU Mihai:Mihai TUTOVEANU:

ARTIMON Flavia-Petruța_ȚGeorgicfna:ARTIMON Flavia-Petruța _Ț Georgicfna:

acest model, ducând la o reducere considerabilă a resorbției osoase proximale, prin creșterea hipertrofiei osoase proximale și prin lipsa hipertrofiei corticale distale și medulare, ceea ce arată că rigiditatea componentelor femurale are un efect semnificativ asupra solicitărilor și efectelor acestora suportate de os.this model, leading to a considerable reduction in proximal bone resorption, by increasing proximal bone hypertrophy, and by the lack of distal cortical and medullary hypertrophy, which shows that the stiffness of the femoral components has a significant effect on the stresses and their effects borne by the bone.

în mod normal, solicitările de la nivelul osului stimulează modelarea continuă a acestuia, ceea ce menține constantă densitatea osoasă. în urma implantării, diferențele de rigiditate între implant și os determină preluarea solicitărilor tipice de către implant, astfel scăzând fenomenul de remodelare naturală a osului și implicit scade densitatea osoasă la interfața os-implant.normally, the stresses on the bone stimulate its continuous shaping, which keeps the bone density constant. following implantation, the stiffness differences between the implant and the bone cause the typical stresses to be taken over by the implant, thus reducing the phenomenon of natural bone remodeling and implicitly decreasing the bone density at the bone-implant interface.

Progresele recente înregistrate în dezvoltarea tehnologiei de prelucrare aditivă prin topirea selectivă cu laser fac posibilă fabricarea structurilor celulare regulate de tip grindă cu zăbrele care pot fi incluse în structura componentei femurale pentru a duce rigiditatea componentei femurale cât mai aproape de rigiditatea osului gazdă. Astfel se oferă un stimul pentru remodelare continuă și, implicit, se menține densitatea osoasă.Recent advances in the development of additive manufacturing technology through selective laser melting make it possible to fabricate regular cellular lattice beam structures that can be incorporated into the femoral component structure to bring the stiffness of the femoral component as close as possible to that of the host bone. This provides a stimulus for continuous remodeling and, implicitly, maintains bone density.

Pe piața implanturilor ortopedice sunt cunoscute numeroase modele de proteze anatomice de șold realizate din diverse materiale metalice biocompatibile cu diferite forme și dimensiuni care rezolvă problema înlocuirii articulațiilor naturale din punct de vedere al funcționalității, însă rezultatele post-operatorii sunt variabile. Acestea prezintă dezavantajul că sunt realizate din materiale complet solide, care au o rigiditate considerabil mai mare decât cea a osului gazdă, care influențează procesul de osteointegrare și fixare a implantului, ceea ce duce la complicații pe termen lung, cum ar fi slăbirea aseptică și, în cele din urmă, la necesitatea unei intervenții de revizie.On the market of orthopedic implants, there are many models of anatomical hip prostheses made of various biocompatible metal materials with different shapes and sizes that solve the problem of replacing natural joints from the point of view of functionality, but the post-operative results are variable. They have the disadvantage of being made of completely solid materials, which have a considerably higher stiffness than the host bone, which influences the process of osseointegration and fixation of the implant, leading to long-term complications such as aseptic loosening and, finally, to the need for revision intervention.

Performanța protezei anatomice de șold depinde de vârsta pacientului, de parametrii materialului, de parametrii geometrici ai componentelor implantabile, de interacțiunile os-implant și de tehnicile de implantare. Prin urmare, este de o mare importanță îmbunătățirea proprietăților protezei de șold, deoarece durata de viață a protezelor actuale nu se potrivește cu speranța de viață a pacienților tineri. Stabilitatea implantului pe termen lung este determinată de geometria acestuia și de calitatea suprafețelor lui. în literatura de specialitate este recomandată acoperirea poroasă a suprafețelor aflate în contact direct cu țesutul osos, dar trebuie menționat faptul că numai acoperirea poroasă nu poate asigura stabilitatea pe termen lung a protezei anatomice, astfel încât să se evite slăbirea aseptică și revizia prematură a acesteia, dacă rigiditatea componentei femurale împiedică remodelarea osoasă prin îndepărtarea solicitărilor tipice din os, ceea ce duce la reducerea densității osoase. / \The performance of the anatomical hip prosthesis depends on the age of the patient, the material parameters, the geometrical parameters of the implantable components, the bone-implant interactions and the implantation techniques. Therefore, it is of great importance to improve the properties of the hip prosthesis, as the lifetime of current prostheses does not match the life expectancy of young patients. The long-term stability of the implant is determined by its geometry and the quality of its surfaces. in the specialized literature, the porous covering of the surfaces in direct contact with the bone tissue is recommended, but it should be noted that the porous covering alone cannot ensure the long-term stability of the anatomical prosthesis, so as to avoid aseptic loosening and its premature revision, if the stiffness of the femoral component prevents bone remodeling by removing typical stresses from the bone, leading to reduced bone density. / \

POPA Nicoleta Mirela:POPA Nicoleta Mirela:

MILODIN Nichita LarisaMILODIN Nikita Larisa

TUTOVEANU Mihai:Mihai TUTOVEANU:

ARTIMON Flavia-Petruța-GeorgianaARTIMON Flavia-Petruța-Georgiana

RO 135703 Α2RO 135703 Α2

Problema tehnică, pe care o rezolvă invenția de față constă în realizarea unei componente femurale a cărei geometrie include o structură biomimetică de tip rețea, alcătuită din unități celulare regulate de tip grindă cu zăbrele, cu diferite forme, topologii, porozități și dimensiuni, care permit o corelare a rigidității cu rezistența la oboseală, ce poate fi adaptată la structura și proprietățile biomecanice ale osului gazdă. De asemenea, includerea structurilor celulare cu zăbrele în geometria componentei femurale, duce la o scădere a greutății acesteia de la 17% până la 20%, determinând un comportament mai elastic ce poate fi controlat prin modificarea dimensiunii unităților celulare, contribuind astfel la scăderea resorbției osoase corticale (osteopenie).The technical problem, which the present invention solves, consists in making a femoral component whose geometry includes a biomimetic network-type structure, made up of regular cellular units of lattice beam type, with different shapes, topologies, porosities and sizes, which allow a correlation of stiffness with fatigue resistance, which can be adapted to the structure and biomechanical properties of the host bone. Also, the inclusion of lattice cellular structures in the geometry of the femoral component leads to a decrease in its weight from 17% to 20%, determining a more elastic behavior that can be controlled by changing the size of the cellular units, thus contributing to the decrease in bone resorption cortical (osteopenia).

Componenta femurală cu structuri celulare cu zăbrele, conform invenției, înlătură dezavantajele modelelor convenționale și rezolvă problema scăderii densității osoase (osteopenie) ca urmare a îndepărtării solicitărilor tipice din os de către o componentă femurală solidă, prin realizarea unei componente femurale cu o geometrie specială, adaptată la proprietățile biomecanice ale osului cortical al femurului proximal pentru a asigura optimizarea preluării încărcărilor, o osteointegrare mai bună și o stabilitate mecanică pe termen lung, fabricată aditiv prin sinterizare selectivă cu laser din pulberi metalice biocompatibile (aliaj de TÎ6A14V sau aliaj CoCr).The femoral component with lattice cellular structures, according to the invention, removes the disadvantages of conventional models and solves the problem of decreased bone density (osteopenia) as a result of the removal of typical stresses from the bone by a solid femoral component, by making a femoral component with a special, adapted geometry to the biomechanical properties of the cortical bone of the proximal femur to ensure optimized load transfer, better osseointegration and long-term mechanical stability, additively manufactured by selective laser sintering from biocompatible metal powders (TÎ6A14V alloy or CoCr alloy).

Pentru proiectarea componentei femurale cu structuri celulare biomimetice de tip grindă cu zăbrele se poate folosi, fie o geometrie de referință a unei componente femurale standard pentru realizarea modelului generic (figura l.a), fie se realizează un model anatomo-adaptiv al componentei femurale pornind de la conturul interior al femurului reconstruit din date medicale specifice pacientului furnizate de imagini CT, RMN etc. sau scanarea 3D (figura 1 .b). Modelul generic care constă din capul conic, gâtul cilindric și coada componentei femurale se realizează secvențial, folosind funcțiile de bază ale programelor CAD de modelare 3D (figura l.c). Tranziția de la geometria solidă la geometria cu structuri celulare cu zăbrele, așa cum se arată în figura 2, se realizează pe baza rezultatelor optimizării parametrilor structurilor celulare. Optimizările topologice se efectuză folosind modelul generic ca spațiu de proiectare (figura 2.a). Zonele cu structuri celulare (figura 2.b) cu diferite topologii (figura 2.c) și zonele solide (figura 2.d) sunt determinate de rezultatele analizei topologiei, pe bază cărora se proiectează un model de componentă femurală cu structuri celulare cu zăbrele. (Figura 3).To design the femoral component with biomimetic cell structures of the lattice beam type, either a reference geometry of a standard femoral component can be used to create the generic model (figure l.a), or an anatomically-adaptive model of the femoral component is created starting from the inner contour of the femur reconstructed from patient-specific medical data provided by CT, MRI, etc. images. or 3D scanning (figure 1.b). The generic model consisting of the conical head, the cylindrical neck and the tail of the femoral component is made sequentially, using the basic functions of 3D modeling CAD programs (figure l.c). The transition from the solid geometry to the geometry with cellular lattice structures, as shown in Figure 2, is made based on the results of the optimization of the parameters of the cellular structures. The topological optimizations are performed using the generic model as the design space (figure 2.a). Areas with cellular structures (figure 2.b) with different topologies (figure 2.c) and solid areas (figure 2.d) are determined by the results of the topology analysis, based on which a femoral component model with lattice cellular structures is designed . (Figure 3).

TUTOVEANU Mihai:Mihai TUTOVEANU:

ARTIMON Flavia-Petruța-fpeofgiăna;ARTIMON Flavia-Petruța-fpeofgiana;

POPA Nicoleta Mirela:POPA Nicoleta Mirela:

MILODIN Nichita Larisa:MILODIN Nikita Larisa:

RO 135703 Α2RO 135703 Α2

Componenta femurală, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:The femoral component, according to the invention, presents the following advantages:

- Utilizarea structurilor celulare cu zăbrele conduce la obținerea unei componente femurale cu greutate redusă, flexibilă și rezistentă la sarcinile ciclice și continue la care este supusă articulația șoldului în activitățile zilnice. De asemenea, porii structurii celulare permit o mai bună creștere osoasă și un transfer mecanic mai eficient al sarcinii reducând astfel cantitatea de pierdere osoasă cauzată de reducerea solicitărilor tipice din os cu 75% comparativ cu un implant complet solid.- The use of cellular lattice structures leads to obtaining a femoral component with reduced weight, flexible and resistant to the cyclic and continuous loads to which the hip joint is subjected in daily activities. Also, the pores of the cellular structure allow for better bone growth and more efficient mechanical load transfer thus reducing the amount of bone loss caused by reducing typical stresses in the bone by 75% compared to a fully solid implant.

- Geometria structurii celulare cu zăbrele oferă o modalitate eficientă de scădere a rigidității unui implant solid, precum și o formă biologică inovatoare de osteointegrare prin proliferarea țesutului osos în structura sa cu unități celulare deschise; prezența structurii celulare, atât în partea mediană, cât și în cea distală mărește semnificativ suprafața de contact dintre implant și țesutul gazdă permițând țesutului osos să crească prin orificiile acesteia.- The geometry of the lattice cell structure provides an effective way to decrease the stiffness of a solid implant, as well as an innovative biological form of osseointegration through the proliferation of bone tissue in its structure with open cell units; the presence of the cellular structure, both in the medial and in the distal part, significantly increases the contact surface between the implant and the host tissue, allowing the bone tissue to grow through its holes.

- Prin corelarea corespunzătoare a parametrilor structurali, cum ar fi geometria și topologia unităților celulare, răspunsul fizic al structurilor poate fi modificat în mod semnificativ pentru a prezenta proprietăți mecanice predictibile;- By appropriate correlation of structural parameters, such as geometry and topology of cellular units, the physical response of structures can be significantly modified to exhibit predictable mechanical properties;

în prezent, fabricarea aditivă, în special topirea selectivă cu laser, permite realizarea structurilor celulare cu geometrii complexe, care nu ar putut fi realizate prin tehnologii tradiționale.Currently, additive manufacturing, especially selective laser melting, allows the realization of cellular structures with complex geometries, which could not be achieved by traditional technologies.

în continuare, se dă un exemplu de realizare a unei componente femurale cu structuri celulare cu zăbrele ce poate fi fabricată prin sinterizare selectivă cu laser din pulberi metalice biocompatibile (aliaj TÎ6A14V și aliaj CoCr), conform invenției, în legătură cu fig. 1, 2 și 3, care reprezintă:next, an example is given of the realization of a femoral component with cellular lattice structures that can be manufactured by selective laser sintering from biocompatible metal powders (TÎ6A14V alloy and CoCr alloy), according to the invention, in connection with fig. 1, 2 and 3, which represent:

- Fig. 1: Modelul de referință al unei componente femurale pentru modelarea 3D a modelului generic pregătit pentru includerea structurilor celulare cu zăbrele în vederea optimizării și corelării parametrilor mecanici ai componentei femurale, conform prezentei invenții, cu parametrii biomecanici ai osului gazdă;- Fig. 1: The reference model of a femoral component for 3D modeling of the generic model prepared for the inclusion of lattice cellular structures in order to optimize and correlate the mechanical parameters of the femoral component, according to the present invention, with the biomechanical parameters of the host bone;

- Fig. 2: Modelarea 3D parametrizată a tranziției de la structura solidă a modelului generic la modelul componentei femurale cu structuri celulare cu zăbrele;- Fig. 2: Parametrized 3D modeling of the transition from the solid structure of the generic model to the femoral component model with cellular lattice structures;

Fig. 3: Vedere axonometrică a componentei femurale cu structuri celulare cu zăbrele.Fig. 3: Axonometric view of femoral component with lattice cell structures.

POPA Nicoleta Mirela:POPA Nicoleta Mirela:

MILODIN Nichita Larisa:MILODIN Nikita Larisa:

TUTOVEANU Mihai:Mihai TUTOVEANU:

ARTIMON Flavia-Petruța-GeorglethaARTIMON Flavia-Petruța-Georgletha

Claims

demand

1. The femoral component with lattice-type cellular structures for the total hip prosthesis, intended to replace a natural hip joint, made by selective laser sintering of biocompatible metal powders (TÎ6A14V alloy and CoCr alloy), characterized in that, for ensuring its elastic behavior, correlated with the biomechanical properties of the host bone and achieving the best possible long-term fixation, in order to prevent bone loss as a result of the removal of physiological stresses arising in the human bone by a completely solid implant with high rigidity, the geometry to include a network-like structure made up of regular, open cellular units with different topologies, porosities and sizes, which allows the optimization of the appropriate design parameters to faithfully reproduce the elasticity of cortical bone.

POPA Nicoleta Mirela:

MILODIN Nikita Larisa:

Mihai TUTOVEANU:

ARTIMON Flavia-Petruța^Georgihna.