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

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 manufacturing

• Auteur / Autrice : Jonaz Vasquez-Villegas
• Direction : Pascal Kouyoumdjian, Pascale Royer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie civil et architecture
• Date : Soutenance le 16/05/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Nadia Bahlouli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Kouyoumdjian, Pascale Royer, Nadia Bahlouli, Lucie Bailly, Pascal Swider, Cédric Laurent, Jean-Charles Le Huec
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lucie Bailly, Pascal Swider

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cartilage

Prototypage rapide

Méthodes d'homogénéisation numérique

Chimie biomimétique

Mots clés libres

Biomimétique

Homogénéisation

Fabrication additive

Biomimicry

Homogenization

Additive manufacturing

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. Le 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.

The intervertebral discs (IVD) are fibrocartilages tissues linking the vertebrae of thespine allowing its mobility as well as its stability. The low vascularity of this tissue can bethe root of the discs’ degeration which, when symptomatic, car lead to a herniated discor neurological pain. When the conservative treatment failed, the remaining solution is thesurgery. The surgery is a discectomy followed by a fusion or an arthroplasty (artificial discreplacement). The spinal fusion reduces the mobility while the implant retains it but withoutproviding the non-linear behavior or the natural disc or the shock absorbing properties. Inthis 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 thepurpose of make a implant by stereolithography.The material used, developped by Thomas Brossier during his PhD carried out in parallelof this work, a hybrid copolymer composed of gelatin and poly(trimethylene carbonate)(PTMC), was tested in terms of biocompatibility. The influences of the stereolithographyprinting parameters (layer thickness, irradiation duration, laser power...) was also explored.Our work consisted in, first evaluate the mechanical properties of theses polymers accordingto the ratio of PTMC and gelatin.Then, the effectives rigidity tensors, of the TPMS microstructures, were calculated basedof 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 classmaterials 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, Youngmodulus surfaces were plotted. This allows to represent explicitally the anisotropy of thesesstructures and to identify the rigidity principal angles.The study of the Young modulus surfaces allows to highlight the influence of the volumefraction as well as the shape of the cell on the shape of the Young modulus surfaces. Forexample, 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 elasticbehavior of the humain cervical IVD. Theses results are not limited by a IVD applicationand can be applied to other tissue engineering application or even to the filling of orthopedicimplant.