Topology optimization of functionally graded lattice femoral stems: balancing stress-shielding reduction and fatigue resistance

Total Hip Arthroplasty is the gold standard treatment for severe hip pathologies; nevertheless, long-term failures still occur due to aseptic loosening induced by stress-shielding. This phenomenon originates from the stiffness mismatch between the metallic femoral stem and the surrounding bone tissue. Within the context of additive manufacturing, this thesis proposes the design of a 3D-printed porous hip stem aimed at mitigating stress-shielding while ensuring structural integrity under ISO 7206-4 loading conditions. Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) were selected due to their favorable fatigue performance, associated with the absence of stress-concentrating nodes. To reproduce lattice mechanical properties while reducing computational costs, an equivalent homogenized material model was computed. A topology optimization procedure was implemented through a Python algorithm to solve a compliance minimization problem, optimizing the relative density distribution within the design domain under volume and stress constraints. Performance was assessed both in terms of standard fatigue resistance and stress-shielding reduction. A patient-specific femur was segmented to evaluate its biomechanical response through the percentage of bone loss. Two optimized designs were presented: the first proposal was able to reduce bone loss by 50% compared to a fully dense stem, while maintaining a minimum safety factor of 1.13. The second design mitigated the stress-shielding phenomenon of 30% with respect to its full counterpart, showing a minimum safety factor of 1.32. These findings highlight the potential of TPMS-based optimized structures to improve the implant longevity, allowing to tailor the trade-off between bone preservation and fatigue safety margin according to patient-specific requirements.

L'artroprotesi totale d'anca è il trattamento d'elezione per le patologie gravi dell'anca; tuttavia, nel lungo periodo si verificano ancora fallimenti dovuti alla mobilizzazione asettica indotta dallo stress-shielding. Tale fenomeno deriva dalla discrepanza di rigidezza tra stelo femorale metallico e tessuto osseo circostante. Nel contesto della manifattura additiva, questa tesi propone la progettazione di uno stelo d'anca poroso stampato in 3D, finalizzato a mitigare lo stress-shielding garantendo al contempo l'integrità strutturale in condizioni di carico conformi alla norma ISO 7206-4. Le superfici minime periodiche triple (TPMS) sono state selezionate per le loro prestazioni a fatica, a cui si aggiunge l'assenza di nodi di concentrazione di tensione. Per riprodurre le proprietà meccaniche delle strutture reticolari riducendo i costi computazionali, è stato sviluppato un modello di materiale omogenizzato equivalente. È stata implementata una procedura di ottimizzazione topologica mediante un algoritmo Python che risolve un problema di minimizzazione della compliance, ottimizzando la distribuzione della densità relativa nel dominio di progetto, sotto vincoli di volume e sforzo massimi. Le prestazioni sono state valutate sia in termini di resistenza a fatica secondo norma, che di riduzione dello stress-shielding. Un femore paziente-specifico è stato segmentato per analizzarne la risposta biomeccanica attraverso la percentuale di perdita ossea. Sono state presentate due configurazioni ottimizzate. La prima ha consentito di ridurre il riassorbimento osseo del 50% rispetto ad uno stelo denso, mantenendo un fattore di sicurezza minimo pari a 1.13; la seconda configurazione ha mitigato lo stress-shielding del 30% rispetto alla controparte piena, riportando un fattore di sicurezza minimo di 1.32. Questi risultati evidenziano il potenziale delle strutture ottimizzate basate su TPMS nel migliorare la longevità dell'impianto, permettendo di modulare il compromesso tra preservazione ossea e margine di sicurezza a fatica in funzione delle specifiche esigenze del paziente.