Patient-specific plate for clavicular fractures: innovative design strategies with bioabsorbable metals and additive manufacturing

The present thesis explores a comprehensive design process for bioabsorbable patient-specific fixation system for the treatment of clavicular fractures, addressing issues which might be integrated in the development of next-generation orthopaedic implants. Innovative design strategies were introduced, pursuing a better description of the biomechanical context, and leveraging a Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process to explore the potential of Zinc as a biodegradable material for orthopaedic applications. The in-silico design of the fixation plate allowed to obtain a tailored implant matching the peculiar anatomy of the bone; the clavicle represents a suitable example to point out the potentialities of personalised orthopaedic treatments, since its large inter-subject variability leads to a poor fit of many commercial fixation plates. A muscle-preserving design approach was also explored, with the purpose of avoiding the disruption of muscular attachments during the surgical implant of the device, commonly performed with conventional clavicle plates. A Finite Element model comprising the fractured clavicle and the fixation system was then developed to perform numerical simulations. A more reliable biomechanical characterisation of the clinical scenario was achieved, including a non-homogeneous description of bone mechanical properties, based on patient-specific CT imaging, and the introduction of physiological loads extracted from a musculoskeletal analysis. The results of the simulations allowed for the definition of advanced design proposals for the clavicle plate, considering topology optimization strategies as well as introducing an internal lattice structure to the device. Some prototypes of the latter design, with different examples of lattice architectures, could be realised by means of a LPBF process, exploring the feasibility to realise orthopaedic devices with a biodegradable metal such as Zinc. Indeed, this class of materials have recently gained the attention of the scientific community, because of their potential use in temporary applications, like orthopaedic fixation devices, which would prevent the need for a removal surgery, with clear improvements for both the patients and the healthcare systems.

Il presente elaborato ha affrontato la progettazione di un sistema di fissazione paziente-specifico bioassorbibile per il trattamento di fratture clavicolari, includendo aspetti potenzialmente innovativi per lo sviluppo di impianti ortopedici di nuova generazione. È stato possibile ottenere un’accurata descrizione del contesto biomeccanico ed è stata esplorata la possibilità di sfruttare un processo di produzione additiva (LPBF) per la realizzazione di dispositivi ortopedici, utilizzando un metallo biodegradabile come lo zinco. Il design in-silico della placca di fissazione ha permesso di ottenere un impianto in grado di adattarsi alla peculiare anatomia dell’osso; la clavicola, infatti, è caratterizzata da un’elevata variabilità interindividuale, che determina spesso una scarsa compatibilità anatomica dei dispositivi convenzionali. Inoltre, nella progettazione della placca è stata introdotta una strategia volta a preservare le regioni di inserzione muscolare, con l’obiettivo di evitarne la compromissione durante l’impianto chirurgico del dispositivo. È stato quindi sviluppato un modello ad Elementi Finiti che includesse la clavicola fratturata e il sistema di fissazione, al fine di condurre simulazioni numeriche. Al fine di ottenere una caratterizzazione biomeccanica del contesto clinico più realistica, è stata introdotta una descrizione non omogenea delle proprietà meccaniche dell’osso, basata sull’immagine tomografica del paziente; inoltre, è stato possibile utilizzare nel modello carichi fisiologici derivanti da un’analisi muscoloscheletrica. Dai risultati delle simulazioni sono state definite delle proposte avanzate di progettazione, considerando strategie di ottimizzazione topologica e introducendo nel dispositivo una struttura lattice interna. È stato infine possibile realizzare alcuni prototipi di quest’ultimo design, considerando diversi esempi di strutture trabecolari, tramite un processo LPBF, esplorando la possibilità di realizzare dispositivi ortopedici con un metallo biodegradabile come lo zinco. Questa classe di materiali ha infatti recentemente suscitato l’interesse della comunità scientifica, grazie alle loro potenzialità per applicazioni temporanee, quali i dispositivi di fissazione ossea, in cui sarebbe possibile evitare la necessità di un secondo intervento chirurgico di rimozione, comportando evidenti benefici sia per i pazienti sia per le strutture sanitarie.