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

Overview & Synopsis

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.