Patient Specific Implant for large mandibular defects restoration with Additive Manufacturing : a design workflow and feasibility study

Mandible reconstruction is usually practiced after the resection of a tumorous part of the bone. Nowadays, the standard surgical procedure involves Vascularized Free Flaps (VFF) from other districts of the body. This technique presents some consistent drawbacks depending on the selected donor site and in addition is not always feasible. Starting from the approaches found in the current mandible reconstruction landscape, this thesis proposes an approach to develop a Patient Specific Implant (PSI) able to bridge large mandibular defects. A workflow to obtain a device mimicking the original anatomy was laid out making use of the mirroring of the healthy side. Powder Bed Fusion (PBF) is a process belonging to the Additive Manufacturing (AM) field. It provides a great freedom in terms of realizable shapes and was therefore identified as the ideal production technique. Two PBF technologies, Selective Laser Melting (SLM) and Electron Beam Melting (EBM) were selected, thanks to their ability to work with Ti6Al4V, the standard titanium alloy for medical applications, to be tested and compared on the production of the device. The use of a lattice structure was introduced to improve lightweight and osteointegration of the implant. Multiple types of lattice cells were investigated based on their pore dimension (Φ) and relative density (ρrel), the key factors in bone in-growth and weight reduction, respectively. The limitations imposed by the manufacturing techniques were also accounted for during the design process. To satisfy all the requirements a variable density lattice structure was designed. Based on the strut-based diamond type cell the structure presents a lattice optimized for bone in-growth (Φ = 930µm) and another for lightweight (ρrel ≈ 14%). Furthermore, to improve the interaction with soft tissues, a closed shell was designed around the lattice structure. To verify the manufacturability of the implant some samples were produced using both SLM and EBM. They were then analyzed using both 3D microscope and Computed Tomography scan to reconstruct internal features and evaluate the surface roughness. From the comparison between the results of the analyses SLM resulted to be provide better results, mainly thanks to its easier powder removal process and lesser porosity in the material volume. Surface roughness was also better in the SLM produced parts, in accordance with the literature, but still was lower than the reference value from literature (< 10µm) imposing the necessity of a targeted post-processing.

La ricostruzione della mandibola è generalmente praticata a seguito della resezione di una parte di osso affetto da tumore. Lo standard odierno per questa procedura è l’utilizzo di Lembi Liberi Vascolarizzati provenienti da diversi distretti corporei. Dipendentemente dal sito di prelievo del lembo questa tecnica presenta diversi svantaggi e non sempre risulta praticabile. Partendo dagli approcci attualmente presenti nel panorama della ricostruzione mandibolare, questa tesi propone un approccio per sviluppare un Impianto Paziente Specifico atto a ricostruire ampi difetti mandibolari. Specchiando il lato sano della mandibola si è sviluppato un inter di lavoro volto a ottenere un dispositivo riproducente l’anatomia originale. La Powder Bed Fusion (PBF) è un processo facente parte della famiglia dell’Additive Manufacturing (AM), grazie alla libertà che essa fornisce in termini di forme realizzabili è stata scelta come tecnologia per produrre l’impianto. In particolare, due tecniche specifiche sono state selezionate per essere confrontate: il Selective Laser Melting (SLM) e l’Electron Beam Melting (EBM) per via della possibilità di lavorare con la lega Ti6Al4V, lo standard per applicazioni ortopediche. Per migliorare gli aspetti di osteointegrazione e riduzione del peso è stata utilizzata una struttura a reticolo. Basandosi sui parametri chiave di questi due aspetti, ovvero la dimensione dei pori (Φ) e la densità relativa (ρrel), e tenendo anche conto dei limiti imposti dalle tecnologie di produzione, sono stati vagliati diversi possibili tipi di cella unitaria per il reticolo. La cella di tipo diamante e stata quindi usata per sviluppare una struttura a densità variabile capace di soddisfare tutti i requisiti. Tale struttura presenta un reticolo ottimizzato per la proliferazione del tessuto osseo (Φ = 930µm) e un altro per la riduzione di peso (ρrel ≈ 14%). Infine, per migliorare l’interazione con i tessuti molli circostanti, un involucro è stato aggiunto all’esterno della struttura reticolare. Per testare la realizzabilità dell’impianto dei campioni di prova sono stati prodotti utilizzando entrambe le tecnologie (SLM e EBM) e sono stati poi analizzati utilizzando un microscopio 3D per valutarne la finitura superficiale e la Tomografia Computerizzata è stata usata per ricostruirne la geometria interna. Il confronto tra i risultati ha promosso l’SLM come tecnologia preferibile, principalmente per via della migliore rimozione delle polveri residue e per la minore porosità finale del materiale. La rugosità superficiale è risultata peggiore del valore di riferimento presente in letteratura (<10µm) per entrambe le tecnologie imponendo la necessità di un ulteriore trattamento.