Feasibility study of a PAEK 3D-printed femoral component

Cobalt Chrome (CoCr) has long been the standard material for knee femoral components due to its mechanical reliability and clinical success. However, concerns regarding its biological safety, regulatory restrictions and the risk of metal ion allergies have led to growing interest in alternative materials. Among these, Polyaryletherketones (PAEK) have shown promise, though most existing studies focus on injection-molded PAEK rather than 3D-printed versions.This thesis, conducted in collaboration with Medacta International SA (Castel San Pietro, CH), explores the feasibility of using 3D-printed PAEK for femoral components in knee prostheses. The research is structured into three phases: material characterization, mechanical property assessment and manufacturing feasibility. Tensile and bending tests were performed to evaluate key material properties, including strain rate sensitivity (ranging from 2·10⁻⁴ to 4·10⁻¹ s⁻¹) and to compare the mechanical behavior of 3D-printed PAEK with its injection-molded counterpart. The study also analyzed the influence of printing direction on mechanical performance. Results indicated that 3D-printed PAEK exhibited higher stiffness and resistance in bending (E_f = 3.5 GPa) than in tension (E_t = 2.8 GPa). To provide a more comprehensive understanding of its mechanical behavior, a theoretical analysis in compression was conducted, along with a Finite Element Method (FEM) validation to further assess its structural performance. While its stiffness was comparable to IM PAEK, its mechanical behavior was significantly different. Specimens produced via selective laser sintering (SLS) demonstrated brittle behavior, whereas IM PAEK exhibited a more ductile response with a distinct plastic phase. Additionally, the study assessed the static load resistance of a femoral component made of PAEK through a worst-case scenario compression test on the lateral condyle. The material showed some limitations in static strength, highlighting the need for dedicated testing protocols tailored to PAEK. Lastly, the research examined the feasibility of manufacturing a PAEK femoral component, with a particular focus on polishing techniques. Various strategies were tested to achieve surface roughness levels suitable for orthopedic implants. Overall, this study provides valuable insights into the mechanical behavior and manufacturing feasibility of 3D-printed PAEK for knee femoral components.

Il Cobalto-Cromo (CoCr) è considerato il gold-standard per i componenti femorali delle protesi al ginocchio grazie alla sua affidabilità meccanica e al successo clinico. Tuttavia, preoccupazioni riguardo la sua sicurezza biologica, le restrizioni normative e il rischio di allergie agli ioni metallici hanno suscitato un crescente interesse verso materiali alternativi. Tra questi, i Poliaryleterchetoni (PAEKs) si sono dimostrati promettenti e funzionali in campo ortopedico. La maggior parte degli studi esistenti si concentra su PAEK stampato a iniezione, piuttosto che sulle versioni stampate in 3D. Questa tesi, condotta in collaborazione con Medacta International SA (Castel San Pietro, CH), esplora la fattibilità dell'uso di PAEK stampato in 3D per i componenti femorali delle protesi al ginocchio. La ricerca è strutturata in tre fasi: caratterizzazione del materiale, valutazione delle proprietà meccaniche e fattibilità della produzione. Sono stati eseguiti test di trazione e flessione per valutare le principali proprietà del materiale, inclusa la sensibilità alla velocità di deformazione (compresa tra 2·10⁻⁴ e 4·10⁻¹ s⁻¹) e per confrontare il comportamento meccanico del PAEK stampato in 3D con il suo omologo stampato a iniezione. Lo studio ha anche analizzato l'influenza della direzione di stampa sulle prestazioni meccaniche. I risultati hanno indicato che il PAEK stampato in 3D ha mostrato una maggiore rigidità e resistenza in flessione (E_f = 3.5 GPa) rispetto alla tensione (E_t = 2,8 GPa). Per completezza, è stata condotta un'analisi teorica in compressione, accompagnata da una validazione tramite il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) per valutare ulteriormente le sue prestazioni strutturali. Sebbene la sua rigidità fosse paragonabile a quella del PAEK stampato a iniezione, il suo comportamento meccanico risultava significativamente diverso. I campioni prodotti tramite sinterizzazione laser selettiva (SLS) hanno mostrato un comportamento fragile, mentre il PAEK stampato a iniezione ha evidenziato una risposta più duttile con una fase plastica ben definita. Inoltre, lo studio ha valutato la resistenza al carico statico di un componente femorale in PAEK tramite un test di compressione in uno scenario di worst-case sul condilo laterale. Il materiale ha mostrato alcune limitazioni nella resistenza statica, evidenziando la necessità di protocolli di test dedicati per il PAEK. Lo studio ha anche analizzato la fattibilità di produrre un componente femorale in PAEK, con particolare attenzione alla lucidatura per ottenere livelli di rugosità superficiale adatti agli impianti ortopedici. Complessivamente, questo studio fornisce nuove informazioni sul comportamento meccanico e sulla fattibilità della produzione di componenti femorali in PAEK stampato in 3D, proponendo un’alternativa promettente al CoCr nelle protesi al ginocchio.