Mimicking Intervertebral Disk Mechanical Properties with Functionally Graded Auxetic Composites

Abstract

A degeneração de discos intervertebrais é um problema que afeta, atualmente, a população mundial. Apesar de a fusão espinal aparentar ser uma boa solução, a longo termo este problema apresenta novas complicações. Posto isto, é crucial estudar de forma aprofundada o comportamento mecânico dos discos intervertebrais, por forma a permitir inovação nos substitutos dos discos e em terapias para a regeneração dos mesmos, permitindo, assim, uma melhor qualidade de vida à população afetada. Assim, a presente dissertação pretende desenvolver estruturas compósitas que apresentem um gradiente de funcionalidade e um comportamento auxético, com o intuito de mimetizar as propriedades mecânicas do disco intervertebral e dos seus componentes, anulus fibroso e núcleo pulposo. Através do SolidworksTM foram moduladas diversas estruturas, inspiradas nas double elliptic-ring structure de Wang et al, as quais foram impressas através do método da deposição fundida e estereolitografia. Para estudar como o design afeta o comportamento mecânico das estruturas, estas foram moduladas com diferentes alinhamentos entre os anéis, assim como com geometrias diferentes. Às estruturas impressas e ao hidrogel foram efetuados ensaios de compressão e de fluência. Também se estudou o hidrogel através de ensaios de frequency-sweep e step-strain. Utilizaram-se métodos de elementos finitos no SolidworksTM, para obtenção do coeficiente de Poisson, das estruturas moduladas. Dos ensaios realizados verificou-se que o hidrogel se comporta como um gel, para a gama de frequências testadas, e que este exibe capacidade de se autorregenerar. Comprovou-se um comportamento auxético nas estruturas estudadas, assim como se verificou que o método de impressão mais adequado, para a impressão de estruturas complexas e altamente detalhadas, foi a estereolitografia. Por último, a capacidade de mimetizar o comportamento de cada componente do disco intervertebral foi alcançada, numa primeira aproximação.

Disc degeneration is a health issue which affects the worldwide population. Even though spinal fusion presents a good solution to this issue, in the long term it displays several drawbacks. Therefore, the need to further study intervertebral disc’s mechanics is critical, so that innovation of disc substitutes and on disc regeneration therapies can take place, giving the affected population a better life quality. In view this issue, the present dissertation aims the production of functionally graded auxetic composite structures, that intend to mimic the mechanical properties of the intervertebral disc and its components, the Annulus Fibrosus and the Nucleus Pulposus. Several designs, inspired on the double elliptic-ring structure, developed by Wang et al. were modelled, using SolidworksTM, and were printed via Fused Deposition Method and Stereolithography methods. These designs display differences in their ring’s alignment and in their design geometry, to assess how design differences affect the mechanical behavior of the printed structures. Finite element method was used on SolidworksTM, to assess theoretical Poisson’s Ratio. To the ChF hydrogel and printed structures compression and creep-compliance tests were done. The ChF hydrogel was also tested with a frequency sweep and step-strain analysis. It was seen that the ChF hydrogel works as a gel-like structure with self-healing capability. Thus, auxeticity was achieved and the best printing method to produce complex and highly detailed structures was assessed, being this SLA. At last, mimicking each IVD component’s mechanical properties was attainable, in a first approach.