L'étude des propriétés de perçage sur biomodèles d'os

Study of drilling properties in bone biomodel

• Auteur / Autrice : Yuta Muramoto
• Direction : Philippe Kapsa, Vincent Fridrici, Makoto Ohta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 13/03/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Gremillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Kapsa, Vincent Fridrici, Makoto Ohta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hédi Hamdi, Christine Boher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Os

Perçage et alésage

Mots clés libres

Perçage d’os

Biomodèle d’os

Matériau d'essai biomécanique

Résine acrylique

Additif

Matériau composite

Force de poussée

Température de coupe

Copeaux de coupe

Couple

Bone drilling

Bone biomodel

Biomechanical test material

Acrylic resin

Additive

Composite material

Thrust force

Torque

Cutting temperature

Cutting chips

Résumé

Le perçage d’os est une compétence chirurgicale fondamentale dans les spécialités telles que l’orthopédie, la dentisterie et la neurochirurgie. Face à la société vieillissante de notre époque, le nombre d'opérations chirurgicales devrait augmenter avec l'élargissement de la proportion de personnes âgées. Afin de répondre aux exigences de plus en plus fortes des soins médicaux, il est nécessaire de permettre une formation chirurgicale adaptée des médecins et le développement de dispositifs médicaux performants. Les biomodèles d’os sont indispensables pour la formation chirurgicale et les essais mécaniques des dispositifs médicaux, avec leurs avantages dans la facilité de manipulation et la cohérence des propriétés des matériaux. Cependant, un biomodèle d’os produit selon les spécifications présenterait des caractéristiques de perçage différentes de celles de l'os naturel. Afin de développer des biomodèles d’os qui couvrent les caractéristiques de perçage de l'os naturel, l'objectif de cette thèse a été de découvrir les relations parmi les propriétés mécaniques, et les propriétés de perçage et la rétroaction tactile. Ce travail est basé sur l'hypothèse que le perçage peut être caractérisé par des propriétés de perçage décrites par les forces de coupe et la température de coupe et que ces propriétés de perçage sont affectées par les propriétés mécaniques des matériaux de travail qui affectent également la rétroaction tactile pendant le perçage. Dans cette étude, nous avons fabriqué des matériaux composites constitués de résine acrylique et d'additifs céramiques et nous avons examiné les effets des additifs sur les propriétés mécaniques et de perçage, ainsi que le retour tactile. Des essais de perçage ont été effectués avec les matériaux composites, de l'os naturel et du Sawbones. Le perçage a été effectué à la fois à vitesse d'avance constante et à force de poussée constante. En outre, des essais mécaniques tels que des essais de flexion, des essais de micro-indentation et des essais de ténacité ont été effectués. De plus, des mesures de rétroaction tactile pendant le perçage ont été effectuées par perçage manuel de chirurgiens expérimentés. Les résultats suggèrent que les additifs peuvent modifier à la fois les propriétés de perçage et les propriétés mécaniques. Cet effet devient plus important avec l'augmentation de la quantité d'additif jusqu'à 40% en poids. Les matériaux composites acryliques comprenant 20% en poids de poudre d'alumine présentent une bonne similitude avec l'os dans la rétroaction tactile pendant le perçage. Ce résultat est considéré comme étant attribué à une force de poussée équivalente lors du perçage manuel, qui est due aux changements des propriétés mécaniques de la résine acrylique dus aux additifs. La force de poussée peut être plus dominante que le couple dans la rétroaction tactile car la magnitude de la force appliquée dans l'axe vertical est cent fois plus grande que dans l'axe latéral lors du perçage.

Drilling of bone is a fundamental surgical skill in specialties such as orthopedics, dentistry, and neurosurgery. Facing the aged society of our time, the number of surgical operations is estimated to increase along the enlargement in the proportion of elderly people. In order to fulfill the drastically growing demands of medical care, it is necessary to permit high-efficiency surgical training of doctors and development of performant medical devices. Bone biomodels are indispensable for surgical training and mechanical tests of medical devices, having their advantages in the ease of handling and consistency of material properties. However, a bone biomodel produced under the standard specification was reported to show different drilling characteristics compared to those of natural bone. In order to develop bone biomodels that cover drilling characteristics of natural bone, the objective of this thesis was to find out the relationship among drilling and mechanical properties, and tactile feedback during drilling. This is based on the assumption that drilling can be characterized by drilling properties described by cutting forces and cutting temperature, and those drilling properties are affected by mechanical properties of work materials, and likewise affects tactile feedback during drilling. In this study we fabricated composite materials consisting of acrylic resin and ceramic additives, and looked into the effects of additives on mechanical and drilling properties, and tactile feedback of composite materials. Drilling tests were carried out with the composite materials and controls such as natural bone and Sawbones test materials. Drilling were performed under both constant feed rate and constant thrust force. Besides, mechanical tests such as bending tests, microindentation tests, and fracture toughness tests were performed. Furthermore, tactile feedback during drilling was obtained by manual drilling of experienced surgeons. The experimental results suggested that additives can alter both drilling and mechanical properties. This effect becomes larger with the increase in additive amount up to 40 wt%. Acrylic composite materials including 20 wt% of alumina cement exhibit the good similarity to natural bone in tactile feedback during drilling. This result is considered to be attributed to equivalent thrust force during manual drilling, which is brought by the changes of mechanical properties of the acrylic resin owing to additives. Thrust force can be more dominant rather than torque in tactile feedback because the magnitude of applied force in vertical axis is one-hundred times larger than in lateral axis in drilling.