Exploration des propriétés des microstructures TPMS pour mimer le comportement mécanique du disque intervertébral cervical humain dans l'objectif de réaliser une prothèse par fabrication additive.

par Jonaz Vasquez-villegas

Projet de thèse en Mécanique, Génie Civil et Architecture

Sous la direction de Pascal Kouyoumdjian et de Pascale Royer.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (laboratoire) et de Biomécanique des interactions et de l'organisation des tissus et des cellules (BIOTIC) (equipe de recherche) depuis le 16-04-2018 .


  • Résumé

    Les disques intervertébraux (DIV) sont des tissus fibro-cartilagineux qui lient les vertèbres du rachis en permettant la mobilité ainsi que la stabilité de celui-ci. La faible vascularisation de ce tissu peut provoquer une dégénérescence discale qui, lorsque symptomatique, peut mener à la hernie discale ou à des douleurs neurologiques. Lorsque le traitement médical a échoué il reste la solution chirurgicale qui consiste en une discectomie suivie d'une fusion (arthrodèse) ou de la pose d'une prothèse. La fusion réduit la mobilité alors que la prothèse la conserve mais sans apporter le comportement mécanique non-linéaire du DIV naturel ou ses propriétés amortissantes. Dans ce cadre, ces travaux de thèse visent à étudier les propriétés des microstructures basées sur des Structure Minimales Triplement Périodiques (TPMS) pour mimer le comportement du DIV cervical humain dans le but de réaliser une prothèse par stéréolithographie. L e matériau utilisé, développé par Thomas Brossier pendant sa thèse effectuée en parallèle de ces travaux, un polymère hybride composé de PolyCarbonate de TriMéthylène (PTMC) et de gélatine a été validé en termes de biocompatibilité par nos collaborateurs. L'influence des paramètres d'impression par stéréolithographie (épaisseur de couche, durée d'irradiation par couche, puissance du laser, …) a aussi été explorée. Notre travail a consisté dans un premier temps à évaluer les propriétés mécaniques de ces polymères en fonction du taux de greffage du PTMC sur la gélatine. Ensuite, les tenseurs de rigidité des microstructures de type TPMS ont été calculés en se basant sur les résultats d'homogénéisation périodique par développement asymptotique. Dans notre cas la cellule est périodique, initialement cubique. Puis, nous avons exploré les modifications de classes de matériaux et des valeurs du tenseur de rigidité effectif en faisant varier les dimensions de la cellule (en gardant une cellule parallélépipédique) ainsi que sa fraction volumique. Pour visualiser l'influence de ces paramètres sur le comportement de la microstructure, des surfaces de module de Young sont utilisées ce qui permet de représenter explicitement l'anisotropie de ces structures et d'identifier les angles principaux de rigidité. L'étude de ces surfaces de module de Young permet de mettre en évidence l'influence de la fraction volumique ainsi que de la forme de la cellule sur la forme de ces surfaces, par exemple si la structure est isotrope la surface est une sphère. A partir de ces résultats il est possible de déterminer laquelle des 5 TPMS étudiées permet de reproduire le comportement élastique anisotrope du DIV cervical humain. Les résultats de ces travaux ne se limitent pas à une application au DIV, il existe d'autres applications d'ingénieries tissulaires ou encore pour du remplissage de prothèse.

  • Titre traduit

    Exploration of the properties of TPMS microstructures to mime the mechanical behavior of humain cervical intervertebral disc with the objective of making an implant by additive manufactering


  • Résumé

    The intervertebral discs (IVD) are fibrocartilages tissues linking the vertebrae of the spine allowing its mobility as well as its stability. The low vascularity of this tissue can be the root of the discs' degeration which, when symptomatic, car lead to a herniated disc or neurological pain. When the conservative treatment failed, the remaining solution is the surgery. The surgery is a discectomy followed by a fusion or an arthroplasty (artificial disc replacement). The spinal fusion reduces the mobility while the implant retains it but without providing the non-linear behavior or the natural disc or the shock absorbing properties. In this context, this work aims to study the properties of microstructures based on the Triply- Periodic Minimal Surfaces (TPMS) to mime the behavior of the human cervical disc for the purpose of make a implant by stereolithography. The material used, developped by Thomas Brossier during his PhD car ried out in parallel of this work, a hybrid copolymer composed of gelatin and poly(trimethylene carbonate) (PTMC), was tested in terms of biocompatibility. The influences of the stereolithography printing parameters (layer thickness, irradiation duration, laser power...) was also explored. Our work consisted in, first evaluate the mechanical properties of theses polymers according to the ratio of PTMC and gelatin. Then, the effectives rigidity tensors, of the TPMS microstructures, were calculated based of the results of the periodic double-scale asymptotic expansion homogenization. In out case, the microstructure cell is periodic, initially cubic. Then, we explored the modification of class materials and the values of the effectif rigidity tensor by varying the dimensions of the cell (keeping a parallelepipedal cell) and the volume fraction. To view the influence of these parameters on the behavior of the microstructure, Young modulus surfaces were plotted. This allows to represent explicitally the anisotropy of theses structures and to identify the rigidity principal angles. The study of the Young modulus surfaces allows to highlight the influence of the volume fraction as well as the shape of the cell on the shape of the Young modulus surfaces. For example, if the structure is isotropic the surface is a perfect sphere. Based on theses results, it is possible to determine which of the five TPMS studied car mimic the anisotropic elastic behavior of the humain cervical IVD. Theses results are not limited by a IVD application and can be applied to other tissue engineering application or even to the filling of orthopedic implant.