Comportamiento mecánico de estructuras porosas bajo cargas combinadas
Barra lateral del artículo
Contenido principal del artículo
Resumen
El incremento de la población geriátrica con problemas musculoesqueléticos, sumado al incremento de lesiones derivadas de actividades deportivas y accidentes de tráfico, ha impulsado la demanda de cirugías ortopédicas de cadera, rodilla o columna vertebral entre otras.
En estos últimos años, y gracias al desarrollo en la fabricación aditiva, se está estudiando la posibilidad de incluir estructuras porosas en el diseño de implantes ortopédicos personalizados. Su gran ventaja frente a los implantes tradicionales es su versatilidad para ajustar sus propiedades mecánicas a las del hueso adyacente y reducir de esta forma el fenómeno conocido como stress-shielding. Asimismo, estas estructuras porosas favorecen la oseointegración y regeneración ósea.
En la actualidad hay numerosos estudios que han analizado el comportamiento de este tipo de estructuras bajo cargas de compresión, obteniendo así ecuaciones que definen el módulo elástico y la resistencia a fluencia equivalente de la estructura en función del material base y de la porosidad. Sin embargo, no existen tantos trabajos estudiando el comportamiento de estas estructuras bajo cargas combinadas de compresión y cortadura.
Teniendo en cuenta que este tipo de cargas se pueden encontrar frecuentemente en algunos implantes ortopédicos, en este trabajo se ha estudiado por elementos finitos el comportamiento de diferentes estructuras porosas bajo cargas de compresión, cortante y bajo 5 cargas combinadas. Se han estudiado 5 porosidades diferentes para cada estructura y se ha analizado también la influencia de la esbeltez geométrica de la estructura. La esbeltez de la estructura porosa juega un papel importante en los efectos de la flexión y por ello se han estudiado diferentes esbelteces.
Se ha analizado por un lado el módulo elástico y de cortadura equivalente de cada estructura, y por otro su resistencia a fluencia. Con los resultados obtenidos se ha definido una ecuación que determina la resistencia de la estructura para cualquier tipo de carga combinada, y que es válida para cualquier porosidad y esbeltez. Esta ecuación puede ser muy útil a la hora de seleccionar la estructura porosa adecuada para el implante, teniendo en cuenta las cargas a las que va a estar sometido. Asimismo, puede ser de utilidad para determinar la orientación de la estructura porosa en el implante.
Para poder verificar los resultados numéricos, se han fabricado estructuras con diferentes porosidades y esbelteces; y se han ensayado bajo cargas de compresión, cortante y cargas combinadas.
Detalles del artículo
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
CC BY-NC-SA 4.0)
El lector puede compartir, copiar y redistribuir el material en cualquier medio o formato, siempre y cuando cumpla con las siguientes condiciones:
-
Atribución (BY): Debe dar crédito adecuado al autor original, proporcionando un enlace a la licencia y señalando si se han realizado cambios.
-
No Comercial (NC): No puede utilizar el material con fines comerciales. Esto significa que no puede venderlo ni obtener ganancias directas de su uso.
-
Compartir Igual (SA): Si adapta, transforma o construye sobre el material, debe distribuir sus contribuciones bajo la misma licencia que el original.
Recuerda que esta licencia no afecta los derechos legales del autor, como el derecho moral o las excepciones de uso justo.
Citas
H. Yin, W. Zhang, L. Zhu, F. Meng, J. Liu, G. Wen, Review on lattice structures for energy absorption properties, Compos. Struct. 304 (2023) 116397. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116397.
N. Khan, A. Riccio, A systematic review of design for additive manufacturing of aerospace lattice structures: Current trends and future directions, Prog. Aerosp. Sci. 149 (2024) 101021. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2024.101021.
S.A. Tyagi, M. M, Additive manufacturing of titanium-based lattice structures for medical applications – A review, Bioprinting 30 (2023) e00267. https://doi.org/10.1016/j.bprint.2023.e00267.
E. Liverani, G. Rogati, S. Pagani, S. Brogini, A. Fortunato, P. Caravaggi, Mechanical interaction between additive-manufactured metal lattice structures and bone in compression: implications for stress shielding of orthopaedic implants, J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 121 (2021) 104608. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2021.104608.
G. Li, L. Wang, W. Pan, F. Yang, W. Jiang, X. Wu, X. Kong, K. Dai, Y. Hao, In vitro and in vivo study of additive manufactured porous Ti6Al4V scaffolds for repairing bone defects, Sci. Rep. 6 (2016) 1–11. https://doi.org/10.1038/srep34072.
A. Yánez, A. Cuadrado, O. Martel, H. Afonso, D. Monopoli, Gyroid porous titanium structures: A versatile solution to be used as scaffolds in bone defect reconstruction, Mater. Des. 140 (2018) 21–29. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.11.050.
R. Asbai-Ghoudan, G. Nasello, M.Á. Pérez, S.W. Verbruggen, S. Ruiz de Galarreta, N. Rodriguez-Florez, In silico assessment of the bone regeneration potential of complex porous scaffolds, Comput. Biol. Med. 165 (2023). https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2023.107381.
L. Gibson, M. Ashby, Cellular Solids, 1997. https://doi.org/10.1017/CBO9781139878326.
A. Yánez, A. Cuadrado, O. Martel, M.P. Fiorucci, S. Deviaene, Mechanical and permeability properties of skeletal and sheet triply periodic minimal surface scaffolds in bone defect reconstruction, Results Eng. 21 (2024). https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.101883.
R. Gümrük, R.A.W. Mines, S. Karadeniz, Static mechanical behaviours of stainless steel micro-lattice structures under different loading conditions, Mater. Sci. Eng. A 586 (2013) 392–406. https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.07.070.
A. Pais, J.L. Alves, R.N. Jorge, J. Belinha, Multiscale Homogenization Techniques for TPMS Foam Material for Biomedical Structural Applications, Bioengineering 10 (2023) 1–21. https://doi.org/10.3390/bioengineering10050515.
S. Ruiz de Galarreta, J.R.T. Jeffers, S. Ghouse, A validated finite element analysis procedure for porous structures, Mater. Des. 189 (2020) 108546. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108546.
G.R. Johnson, W.H. Cook, Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures, Eng. Fract. Mech. 21 (1985) 31–48. https://doi.org/10.1016/0013-7944(85)90052-9.
L. Bai, C. Gong, X. Chen, J. Zheng, J. Yang, K. Li, Y. Sun, Heterogeneous compressive responses of additively manufactured Ti-6Al-4V lattice structures by varying geometric parameters of cells, Int. J. Mech. Sci. 214 (2022) 106922. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106922.
R. Belda, M. Palomar, J.L. Peris-Serra, A. Vercher-Martínez, E. Giner, Compression failure characterization of cancellous bone combining experimental testing, digital image correlation and finite element modeling, Int. J. Mech. Sci. 165 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2019.105213.
I. Fleps, H. Bahaloo, P.K. Zysset, S.J. Ferguson, H. Pálsson, B. Helgason, Empirical relationships between bone density and ultimate strength: A literature review, J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 110 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.103866.
R. Belda, R. Megías, M. Marco, A. Vercher-Martínez, E. Giner, Numerical analysis of the influence of triply periodic minimal surface structures morphometry on the mechanical response, Comput. Methods Programs Biomed. 230 (2023). https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2023.107342.
M. Marco, R. Belda, M.H. Miguélez, E. Giner, Numerical analysis of mechanical behaviour of lattice and porous structures, Compos. Struct. 261 (2021) 113292. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113292.