Proposal of a new method for patient-specific design of PEEK implants for pediatric thoracic reconstruction

Complexity and specific issues related to pediatric thoracic surgery necessitate effective solutions. Recent studies demonstrated that 3D-printed Poly Ether Ether Ketone (PEEK) implants may be a viable alternative for thoracic reconstruction, enabling the realization of patient-specific implants. The aim of this thesis was to propose a novel method to design a patient-specific device, capable of supporting patient growth and restoring breathing functionality. Specifically, it focused on the development of a spring-like model to substitute the cartilaginous component. To achieve this objective, surface and mechanical properties of 3D-printed PEEK and Carbon Fibers Reinforced PEEK (CFR-PEEK) were investigated. Consequently, Finite Elements (FE) simulations were employed to simulate the physiological conditions, using the spring-like model with experimental mechanical properties as input data. CAD parameters were optimized to assess the feasibility of various solutions and possibly determine the optimal design. The results of material characterization showed that post-treatments are necessary to achieve values of roughness suitable for enhancing osteointegration. Regarding mechanical properties, pure PEEK specimens showed a behavior more suitable for the development of the device, since CFR-PEEK samples resulted too brittle for the intended purpose. FE simulations and optimization procedures revealed that the proposed geometry could be suitable for the restoring of breathing, without meeting the desired outcomes related to patient’s growth. The described methodology remains innovative and applicable to device design. By identifying a different geometry, and following the same steps, it could be possible to design a device adequate for pediatric conditions too.

La complessità e le sfide connesse alla chirurgia toracica pediatrica evidenziano la necessità di individuare delle soluzioni ottimali. Ricerche recenti hanno dimostrato come impianti stampati in 3D, utilizzando il Polietere etere chetone (PEEK), possano essere considerati una valida alternativa per tale contesto clinico, consentendo la realizzazione di dispositivi paziente-specifici. L’obiettivo di tale tesi è quello di proporre un nuovo metodo per la progettazione di tali impianti, che consentano di accomodare la crescita del paziente e il ripristino della funzionalità respiratoria. Nello specifico il lavoro si è concentrato sullo sviluppo di un modello “a molla”, pensato per sostituire le componenti cartilaginee. Per il raggiungimento di tale obiettivo, sono state studiate le proprietà superficiali e meccaniche del PEEK e del PEEK Rinforzato con Fibre di Carbonio (CFR-PEEK) ottenuti mediante stampa 3D. Tramite analisi agli Elementi Finiti (FE) è stato possibile replicare le condizioni fisiologiche di funzionamento, utilizzando la geometria proposta e i dati ottenuti sperimentalmente relativi al PEEK. I parametri geometrici del modello sono stati ottimizzati per valutare l’esistenza di una o più soluzioni accettabili ed eventualmente individuarne quella ottimale. Dallo studio delle proprietà superficiali è emersa la necessità di prevedere trattamenti postumi al fine di favorire il processo di osteointegrazione del possibile impianto. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, il PEEK è stato preferito al CFR-PEEK, per via del comportamento fragile di quest’ultimo. Le simulazioni svolte e le procedure di ottimizzazione hanno mostrato come la geometria proposta sia adeguata al ripristino della funzionalità respiratoria, non garantendo però la crescita del paziente nel caso pediatrico. Nonostante tali risultati, l’approccio descritto risulta comunque innovativo e applicabile ad altre progettazioni paziente-specifiche. In futuro, individuando una geometria alternativa e seguendo la metodologia proposta, si potrebbe sviluppare un dispositivo in PEEK, in grado di favorire la crescita di pazienti pediatrici.