The mechanical behavior of simple and advanced FDM printed models of human femora

Abstract

Hintergrund: Für die Durchführung biomechanischer Experimente oder zur Validierung numerischer Modelle werden künstliche Knochen verwendet. Derzeit genutzte künstliche Knochen bilden die realen Knochen jedoch sehr vereinfacht ab, was die Verwendung stark einschränkt. Ziel dieser Arbeit war es, realistische künstliche Knochen mittels 3D Druck herzustellen, die die kortikale Dicke und die variablen Dichtebereiche des trabekulären Zentrums berücksichtigen.Materialien und Methoden: 3D gedruckte proximale menschliche Femora wurden mittels der Fused Depostion Modeling (FDM) Technik aus dem Material PLA mit einer Gyroidfüllung hergestellt. Die maximale Kraft und Steifigkeit wurde mit einachsigen Kompressionsversuchen in der Standkonfiguration bestimmt. Vorhandene quantitative CT-Daten (QCT) von drei menschlichen proximalen Femora wurden als Basis für die Bildverarbeitung verwendet. Um den Einfluss von einer akkuraten Abbildung des realen Knochens feststellen zu können, wurden drei unterschiedlich komplexe Typen hergestellt und die mechanischen Eigenschaften miteinander verglichen, wobei (1) eine konstante Kortex und eine konstante Füllung, (2) eine konstante Kortex mit einer variablen Füllung und (3) eine variable Kortex und eine variable Füllung hat. In einem zweiten Schritt wurden drei Femora eines Typs miteinander verglichen und im letzten Schritt wurde ein Vergleich mit vorhandenen Ergebnissen von realen Knochen durchgeführt. Ergebnisse: Replikate des menschlichen Femurs konnten erfolgreich 3D gedruckt werden. Mit zunehmender Komplexität des gedruckten Typs steigt die Genauigkeit der Reproduzierbarkeit hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Eine vereinfachte Darstellung des Knochens führt zwar zu einer höheren Maximalkraft und Steifigkeit, stellt aber die einzelnen Dichtebereiche eines Knochens möglicherweise nicht gut dar. Die Gegenüberstellung der verschiedenen Femora zeigt, je dichter der Knochen ist, desto höher ist die Maximalkraft und Steifigkeit. Im Vergleich zu den drei realen Knochen verhalten sich die 3D-gedruckten Knochen jedoch ähnlich, sie sind aber, wie erwartet, weicher. Dies liegt daran, dass Knochengewebe im Vergleich zu PLA eine viel höhere Steifigkeit und Festigkeit aufweist. Fast alle Bruchformen der 3D-gedruckten Knochen zeigten eine Schichtaufspaltungen, dies weist auf eine relativ schlechte Schichthaftung hin.

Background: Artificial bones are used to perform biomechanical experiments or to validate numerical models. However, currently used artificial bones represent real bones in a very simplified way, which limits their use considerably. The aim of this work was to produce realistic artificial bones by 3D printing, taking into account the cortical thickness and variable bone density within the trabecular region. Materials and Methods: 3D printed proximal human femora were fabricated using the Fusion Deposition Modeling (FDM) technique with PLA material and a gyroid infill pattern. Maximum force and stiffness were measured with uniaxial compression tests in stance configuration. Existing quantitative CT data (QCT) of three human proximal femora were used as a baseline for image processing. In order to evaluate the influence of accurate reproduction of the real bone, three different complexity types were fabricated, and the mechanical properties were compared, with (1) a constant cortex and a constant infill, (2) a constant cortex with a variable infill, and (3) a variable cortex and a variable infill. In a second step, three femora of one type were compared and in the last step a biomechanical comparison was made with existing results from real bones.Results: Replicates of human femur could be successfully 3D printed. The more complex the printed type, the higher the accuracy of reproducibility considering the mechanical properties. The different density areas of a bone could be reproduced by a simplified representation of the bone, and lead to a higher maximum force and stiffness. Comparison of the different femora shows that the denser the bone, the higher the maximum force and stiffness. However, when comparing the 3D-printed bones with the three real bones, they behave similarly but as expected much softer. This is because bone tissue has a much higher stiffness and strength compared to PLA. Almost all of the fracture modes of the 3D printed bones showed layer splitting which indicates a relatively poor layer adhesion.Conclusion: 3D printed bones using FDM technique can reproduce real bones closely in terms of cortical thickness and different density areas. The biomechanical behavior is like real bones, but 3D printed bones are softer. To achieve higher mechanical performance, which is more similar to those of real bones, further adjustments of the printing parameters are necessary. In addition, a different material should be used in the FDM process, as the bone tissue has a much higher stiffness and strength.