Authors:	Peter, Thomas
Title:	Biomechanische Evaluation von 3D-gedruckten Rippen
Online publication date:	7-Jul-2022
Year of first publication:	2022
Language:	german
Abstract:	Die 3D-Drucktechnik hat inzwischen eine Vielzahl von Einsatzgebieten in der Medizin, wie der Diagnostik, Behandlung und Simulation von komplexen Pathologien. Inzwischen können morphologische Details mit hoher Präzision dargestellt werden, jedoch fehlen bislang sämtliche biomechanische Untersuchungen über die Eigenschaften von 3D gedruckten Knochenmodellen. Hierzu ist nicht nur die äußere Form, sondern auch die Wahl der Druckmaterialien und der 3D-Binnenstruktur von Bedeutung. Ziel der Arbeit ist es, ein 3D-Knochenstrukturmodell zu etablieren, das hinsichtlich der anatomischen Morphologie sowie der biomechanischen Eigenschaften dem reellen Knochen gleich kommt. Methode 1. Aus einem fresh-frozen Leichenpräparat wurden a) die beiden 4. Rippen, sowie b) 10 cm distaler Radius des rechten Armes entnommen. Anschließend wurden aus a) DICOM-CT-Datensätze erstellt und mit b) eine Knochendichtemessung durchgeführt. Die DICOM Datensätze dienten als Grundlage für das Erstellen der druckbaren 3D-Modelle mit dem Programm 3DSlicer (v. 4.8). Die gewonnenen STL-Daten wurden mit dem Programm Ultimaker Cura (v. 3.4.1) nachbearbeitet. Hierbei wurde die ursprüngliche Spongiosa virtuell entfernt und durch eine druckbare Innenstruktur ersetzt. Geplant sind 5 Serien mit je unterschiedlichen Druckkunststoffen und 5 verschiedenen Innenstrukturen pro Serie. Gedruckt werden die Modellrippen mit dem Ultimaker 3+ des Instituts für Physiologische Chemie in der Fused Deposition Modeling (FDM) Methode. 2. Im 3-Punkt-Biegeversuch und dem Torsionsversuch werden sowohl die Kadaverrippen, als auch die im FDM Verfahren gedruckten Rippen auf ihre Biegungs- und Rotationselastizität, sowie ihre Maximalbelastung untersucht. Dies erfolgt mittels des Instron 5943 Prüfsystems des anatomischen Instituts der Universität Mainz. Die gemessenen Kräfte (N) und die Elastizität (N/m²) dienen im Folgenden als Vergleichswerte für die 3D-Rippenknochenmodelle. Ergebnis Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Evaluation der biomechanischen Eigenschaften von 3D-P-Rippen in Abhängigkeit verschiedener Materialien (Polylactid (PLA), Lignin-basierten Polymer, XT-CF20), Außenhülldicken (0,5–2 mm), Infill-Dichten (20 % bzw. 25 %) und Infill-Pattern (Grid, Triangel, Cubic, Concentric). Für die biomechanische Testung wurden Messapparaturen für 3-Punkt-Biege- und Torsionsversuch entwickelt. Die Daten der 3D-P-Rippen wurden mit den Werten der Originalrippe des menschlichen Körperspenders verglichen. Mit den Standardeinstellungen eines Fused Deposition Modeling-(FDM) -Druckers und dem Material PLA war es möglich, die Biomechanik von Rippen im 3-Punkt-Biegeversuch annähernd zu simulieren. Die Abbildung der Eigenschaften von Rippen in Torsion gelang aufgrund der Orientierung der Infill-Pattern an die Druckebene und der daraus folgenden erhöhten Flexibilität unter Torsion schlechter. Für das Bruchverhalten der 3D-P-Rippen spielten die Außenhülldicke, die Infill-Dichte und die Steifigkeit des Materials eine Rolle. Rippen mit größeren Außenhülldicke (1,5 mm, 2 mm) neigten zu duktilen Brüchen, d. h. sie verbogen sich bevor sie brachen. Eine höhere Infill-Dichte führte zu einer höheren Steifigkeit und Verringerung der Stauch Fähigkeit. 3D-P-Rippen mit höherer Infill-Dichte brachen wie die Originalrippe eher am Ort der Krafteinwirkung. Bei Verwendung von flexiblem Material verlagerte sich die Fraktur nach peripher. Das Bruchverhalten des eher spröden Lignin-basiertem Polymers war am ehesten mit dem Bruchverhalten der Originalrippe vergleichbar. Zur Simulation der biomechanischen Eigenschaften menschlicher Rippen sollten Infill-Strukturen an den Hauptbelastungslinien ausgerichtet werden. Mit der Finite-Elemente-Methode lassen sich solche digitale 3D-Modelle erzeugen. Für den Druck dieser Modelle ist die FDM-Methode eher weniger geeignet, da beim Druck der sich an verschiedene Ebenen orientierenden Trabekelstruktur Überhänge entstehen, die durch Stützstrukturen gesichert werden müssen. Zusammenfassend belegen die Befunde, dass spröde Kunststoffe besser für die Simulation von Materialeigenschaften des Knochens geeignet sind. Die Außenhülldicke hat verglichen mit der Infill-Dichte einen geringeren Einfluss auf die Belastbarkeit von 3D-P-Rippenmodellen. Für die Abbildung der Biomechanik in allen Ebenen ist die Konstruktion von Infill-Strukturen, die sich am Verlauf der Hauptbelastungslinien der Originalrippe orientieren, sinnvoll.
DDC:	610 Medizin 610 Medical sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 04 Medizin
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-7226
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-5c9f1ee9-2f02-4a38-b5a2-3135e16ff47c0
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	95 Seiten, Illustrationen
Appears in collections:	JGU-Publikationen