Integration of Finite Element Analysis, 3D Printing and Biopolymers to Enhance Research in Orthopaedics

Abstract

Кінцево-елементний аналіз (FEA) є дуже потужним інструментом для біомеханічного дослідження ортопедичних травм. Для поліпшення дизайну, скринінгу, оцінки та лікування в ортопедії, FE моделювання може ефективно та надійно оцінити тисячі змінних (включаючи дисперсію імплантатів, хірургічні процедури та різні захворювання). Крім того, FEA може бути використаний для оцінки та усунення проблем або помилок ретроспективно, щоб уникнути подібних травм у майбутньому. FEA може потенційно використовуватися для ефективної за часом та економічної оцінки імплантатів, терапій та методів. Робота включає опис розробки FE моделей, методів 3D друку, що використовуються в ортопедії, разом з еволюцією біополімерів у медичній промисловості. Для FE моделей потрібно розробити необхідну геометрію, виміряти властивості матеріалу віртуальних тканин та правильно використати числовий алгоритм вирішення для побудови ефективного рішення та визначення змінних поля. Мета роботи – ознайомити читачів з ефективністю інтеграції FEA в ортопедичних додатках з 3D друком і біополімерами та надати короткий опис процесу моделювання. Також FEA застосовується для розробки фіксуючих компресійних пластин (LCP) для стегнової кістки. З цієї роботи можна зробити висновок, що інтеграція FEA та біополімерів з 3D друком в дослідженнях ортопедії може надати суттєву нову інформацію для прийняття технічно більш прийнятних рішень та дуже корисних з точки зору суспільства.

FEA is a very powerful tool for biomechanically examining orthopaedic trauma. In order to improve the design, screening, estimation and treatment of orthopaedics, finite element (FE) simulations can evaluate thousands of variables effectively and reliably (including implant variance, surgical procedures and different diseases). In addition, FEA can be used to evaluate and fix issues or failures retrospectively in order to deter similar injuries in the future. FEA will potentially be used in a time-efficient and cost-effective assessment of implants, therapies and techniques. This work includes a description of the development of FE models, 3D printing techniques used in orthopaedics along with the evolution of biopolymers in medical industry. For FE models, geometry of interest must be developed, the material properties of virtual tissues measured and the numerical solver correctly used to construct an effective solution and to define the field variables. The purpose of this work is to introduce the reader to the effectiveness of integrating the FEA in orthopaedics application with 3D printing and biopolymers and to provide a brief description of the modelling process. Also FEA is applied for designing LCP for Femur bone. From this work, it can be concluded that the integration of FE analysis and 3D printable biopolymers with 3D printing in orthopaedics research can provide considerable new information to make technically more appropriate decisions and highly beneficial from society point of view.