A comparison of the biomechanical behaviour of simple artificial, composite, and 3D FDM printed human femoral bones

Abstract

Künstliche Knochen finden immer häufiger Anwendung um diverse operative Techniken zu üben und zu verfeinern da sie die Notwendigkeit von Organspenden minimieren und die Möglichkeit bieten, Experimente standardisiert zu wiederholen. Der Nachteile von kommerziell erhältlichen Knochen ist eine limitierte Auswahl an Geometrie und Struktur bei teils sehr hohen Kosten. Aus diesem Grund besteht der Bedarf an möglichst kostengünstigen Ersatzprodukten die aber trotzdem vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweisen und Patienten spezifisch hergestellt werden können.Daher wurden vier künstliche Knochen (Orthobone_Standard, Orthobone, SYNBONE und SAWBONE) von drei unterschiedlichen Herstellern (3B Scientific GmbH, SYNBONE AG and A Pacific Research Company) hinsichtlich ihrer Geometrie und inneren Struktur untersucht, sowie mechanische Tests durchgeführt. Dies geschah anhand von 3D Oberflächenscansund der Aufnahme von Micro Computertomographie (μ-CT) Bilder. In weiterer Folge wurde eine Segmentierung der erhaltenen μ-CTs durchgeführt und sowohl die Kortex als auch die Spongiosa als STL Dateien extrahiert um die Knochen mittels Fused Deposition Modeling (FDM) 3D zu drucken. Die 3D gedruckten Femora wurden dann analog zu ihrem künstlichen Gegenstück mittels Kompressionstest mechanisch vermessen. Besonders von Interesse war dabei ihr Verhalten bezüglich Steifigkeit und maximal Kraft bis zum Versagen.Dabei war festzustellen, dass alle gedruckten Knochen der Gruppe Orthobone_Standard, Orthobone und SYNBONE® höhere Steifigkeit und maximal Kraft aufwiesen als deren kommerziell erhältlichen Analoge. Nur bei der Variante SAWBONE® war die aufgewendete Kraft beim Bruch, sowie die Steifigkeit, höher im Vergleich zum 3D gedruckten Analog. Dies war darin geschuldet, dass es sich hierbei um einen Komposit-Knochen handelt und die Knochen welche mittels FDM hergestellt wurden nur aus Polymilchsäure (PLA) bestanden. Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist künstliche Oberschenkelknochen mittels 3D Druck kostengünstig und schnell zu produzieren, welche in ihren mechanischen Eigenschaften kommerziell erhältlichen künstlichen Knochen ähneln. 3D gedruckte Knochen werden zukünftig großen Anklang in klinischen und Patienten-spezifischen Anwendungen finden.

Artificial bones established themselves in medicine to train and refine complicated and routine surgery procedures in orthopaedics, but they are also used to validate finite element analysis (FEA) models. The major advantage of such bones is that the necessity for human donor tissue is limited and the possibility of repeating experiments in a standardised way. The disadvantage of commercial artificial bones is the choice of geometry and structure, but also the relatively high costs. Consequently, there is a demand for a low-cost alternative product with comparable mechanical properties which allow for patient-specific applications.In this work, four different artificial bones (Orthobone_Standard, Orthobone, SYNBONE und SAWBONE) from three different companies (3B Scientific GmbH, SYNBONE AG and A Pacific Research Company) were analysed and tested in terms of geometry, inner structure and mechanical properties. Initially, 3D surface scans and micro computed tomography (μ-CT) were performed to obtain a digital representation of the samples. Followed by a segmentation of the obtained μ-CT images to generate separate STL files of the cortex and spongiosa. The obtained files were then used to manufacture the bones using Fused Deposition Modelling (FDM). Subsequently the 3D printed samples were tested mechanically and compared to the performance of the purchased bones. The stiffness and ultimate force of the bones (artificial and printed) were of particular interest. In this context it was determined that the bones of the printed sample group Orthobone_Standard, Orthobone and SYNBONE® showed higher stiffness and ultimate force compared with their artificial analogues. Only higher fracture loads were observed for commercial SAWBONE® if compared to 3D printed samples. This result was due to the fact, that the SAWBONE® consists of a composite material and for the FDM printed bone only polylactide (PLA) was used.This thesis shows that it is possible to produce FDM printed analogues to the available artificial bones on the market. With them being not only cheaper and faster to manufacture, but also showing better or similar mechanical behaviour. In the future, printed bones will offer a wide range of clinical, patient specific applications.