Apports des techniques de fabrication additive pour la conception d’implants personnalisés à géométrie complexe : application à la chirurgie réparatrice de la main

Use of additive manufacturing techniques for the production of customized implants with complex geometry : application to reparative hand surgery

• Auteur / Autrice : Augustin Lerebours
• Direction : Alain Rassineux, Christophe Egles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Matériaux et Biomécanique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 02/12/2019
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval - Biomécanique et Bioingéniérie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (technologie)

Frottement

Usure (mécanique)

Rhizarthrose

Arthrose

Biomatériaux

Biocompatibilité

Chirurgie plastique

Chirurgie

Main

Prothèses internes

Implants orthopédiques

Prothèses articulaires

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Implant articulaire

Implantation chirurgical

Résistance à l'usure

Texturation de surface

Conception géométrique numérique

Test de performance sur cadavre

CoCrMo

Ti6Al4V

316L

Additive manufacturing

Articular implant

Surgical implantation

Arthrosis

Biocompatibility

Wear resistance

Surface texture

Numerical geometric design

Performance test on cadaver

CoCrMo

Ti6Al4V

316L

Résumé

L’arthrose est une pathologie entraînant la dégénération des surfaces articulaires. Dans le cas particulier de l’articulation trapézo-métacarpienne, l’arthrose déforme de façon irréversible l’os trapèze entraînant perte de la mobilité et amoindrissement de la force de préhension couplé à des douleurs à la base du pouce. Les solutions thérapeutiques ne sont cependant pas satisfaisantes avec des reprises fonctionnelles limitées entraînant une perte de qualité de vie du patient. Dans le cas de la main, la personnalisation des implants semble être pertinente du fait de la grande variabilité des caractéristiques mécaniques articulaires et des spécificités musculo-squelettiques. Ce travail de thèse porte sur la méthodologie de réalisation d’implant trapézo-métacarpien patient-spécifique, basé sur les potentialités des technologies de fabrication additive métal. Il s’agit plus globalement de développer, analyser et valider les étapes de réalisation d’un implant à géométrie complexe quelconque depuis l’imagerie médicale jusqu’à l’implantation. Les travaux se concentrent dans un premier temps sur l’identification de paramètres spécifiques du patient afin de « rajeunir » numériquement son os déformé à son stade pré-pathologique pour concevoir l’implant idéal et l’adaptation du modèle à la fabrication d'additive (DfAM). La fabrication de l’implant et les post-traitements sont également étudiés d’un point de vue biologique (cytocompatibilité, réaction du système immunitaire), mécanique (microstructure, propriété de frottement) et morphologique (quantification des déviations géométriques). L’approche d’implantation chirurgicale est abordée au travers de divers tests sur des cadavres permettant de mieux intégrer les bénéfices/risques pour le patient. Une étude sur la psychologie du patient souffrant de la rhizarthrose et de ses attentes clôture ce manuscrit. Les résultats ont donné lieu aux dépôts de 2 brevets et à la rédaction de 6 articles scientifiques.

Osteoarthritis is a pathology that causes the degeneration of joint surfaces. In the particular case of the trapezo-metacarpal joint, osteoarthritis irreversibly deforms the trapezium bone, causing loss of mobility and reduced grip strength coupled with pain at the base of the thumb. However, therapeutic solutions are not satisfactory with limited functional recovery resulting in a loss of quality of life for the patient. In the case of the hand, the personalization of implants seems to be relevant because of the great variability of the joint mechanical characteristics and the musculoskeletal specificities. This thesis work focuses on the methodology for creating a trapezio-metacarpal implant patient-matched, based on the potentialities of additive metal manufacturing technologies. More generally, it involves developing, analyzing and validating the steps involved in the manufacture of any complex geometric implant from medical imaging to implantation. The work initially focuses on identifying specific patient parameters in order to numerically "rejuvenate" the deformed bone in its pre-pathological stage to design the ideal implant and adapt the model to additive manufacturing (DfAM). Implant manufacturing and post-treatment are also studied from a biological (cytocompatibility, immune system response), mechanical (microstructure, friction property) and morphological (quantification of geometric deviations) point of view. The surgical implantation approach is addressed through various tests on cadavers to better integrate the benefits / risks for the patient. A study on the psychology of the patient suffering from rhizarthrosis and his expectations for a therapeutic solution concludes this manuscript. The results have led to 2 patents and the writing of 6 scientific articles.