Resumo: Fraturas ósseas graves são frequentemente tratadas com fixações internas. Em pacientes não saudáveis ou com osteoporose, podem ocorrer fraturas ósseas após a implantação devido a impactos externos (por exemplo, quedas), atividades diárias em casos de alta osteoporose e discrepâncias na rigidez entre o osso e o biomaterial do implante. Uma abordagem para aliviar esse problema é o uso de implantes específicos, com biomateriais que imitam a rigidez do osso real, integrando melhor a fixação. Isso requer, em primeiro lugar, conhecer as propriedades alvo (propriedades do osso), o que é impraticável por meio de medições diretas. Em segundo lugar, é necessário um método prático para projetar as propriedades elásticas efetivas do biomaterial e, finalmente, um procedimento para modelar sistemas osso-implante específicos para o paciente. Em busca desses objetivos, nosso trabalho apresenta: (i) uma revisão atualizada da literatura sobre modelagem óssea específica para o paciente; (ii) um código aberto para analisar o comportamento mecânico de materiais 3D usando o Método dos Elementos de Contorno (BEM); (iii) uma metodologia de homogeneização para prever a rigidez anisotrópica do osso saudável e osteoporótico com base na porosidade e fração mineral; (iv) uma homogeneização de estruturas de titânio usando micro-tomografia (CT) e Método dos Elementos Finitos (FEM); e (v) uma metodologia para avaliar o comportamento elastostático anisotrópico de sistemas osso-implante específicos do paciente, tanto saudáveis quanto osteoporóticos. A revisão da literatura revela que a falta de dados específicos do paciente frequentemente leva a simplificações geométricas nos modelos. Aqui, a abordagem de homogeneização óssea considera estruturas hierárquicas detalhadas, incorporando dados específicos do paciente em níveis nanoscópicos, microscópicos e mesoscópicos, capturando o comportamento anisotrópico em todas essas escalas. As previsões se alinham com a literatura existente e estão disponíveis. Além disso, os resultados de homogeneização de estruturas de titânio são consistentes com modelos numéricos relatados na literatura, mas diferem dos dados experimentais. No entanto, demonstramos aqui que essas discrepâncias não podem ser atribuídas às micro irregularidades típicas da impressão 3D, como se acreditava anteriormente na literatura. Por fim, a metodologia de modelagem osso-implante incorpora com sucesso as propriedades efetivas anisotrópicas do osso e destaca o impacto da osteoporose no comportamento mecânico osso-implante. Este trabalho contribui para o desenvolvimento de implantes ósseos específicos mais robustos e práticos Ver menos

Abstract: Severe bone fractures are often treated by appending internal fixations. In unhealthy or osteoporotic patients, post-implantation bone fractures can occur due to external impact (\textit{e.g}. from a fall), day-to-day activities in highly-osteoporotic cases and mismatches in the stiffness of bone and the implant's biomaterial, since this causes stress concentrations. One approach to alleviating this problem is to use patien-specific implants with biomaterials that closely mimic the effective stiffness of real bone, thereby more seamlessly integrating the fixation. This essentially requires first, to know the properties target (bone properties), which is impractical via direct measurement. Secondly, a practical way of designing and controlling the effective elastic properties of the biomaterial, and finally, a procedure to model patien-specific bone-implant systems. In pursuit of these goals, this work presents: (i) an up-to-date literature survey on patient-specific bone modelling; (ii) an open-source code to analyse the mechanical behaviour of 3D heterogeneous materials using the Boundary Element Method (BEM); (iii) a multiscale homogenisation methodology for predicting the anisotropic stiffness of healthy and osteoporotic bone based on porosity and mineral fraction; (iv) a homogenisation of titanium scaffolds using micro-Computed Tomography (CT) and finite Element method (FEM), and (v) a methodology for evaluating the anisotropic elastostatic behaviour of healthy and osteoporotic patient-specific bone-implant systems. The literature survey reveals that the lack of patient-specific data often leads to simplified geometric assumptions in modelling. Here, our bone homogenisation approach considers detailed hierarchical structures, incorporating subject-specific data at nanoscale, microscale, and mesoscale levels, capturing anisotropic behaviour across these scales. The predictions align favourably with existing literature and are compiled in a comprehensive database. Furthermore, the scaffold homogenisation results are consistent with numerical models reported in the literature but differ from experimental data. These discrepancies are shown here not to be attributed to micro-irregularities typical of 3D printing, as previously believed in the literature. Lastly, the bone-implant modelling methodology successfully incorporates the anisotropic effective properties of bone and underscores the substantial impact of osteoporosis on bone-implant mechanical behaviour. This work contributes to the development of more robust, practical patient-specific bone implants Ver menos