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http://hdl.handle.net/10773/41167
Título: | Design and fabrication of an artificial cervical disc implant combining 3D electrospinning and hydrogel |
Outros títulos: | Projeto e fabricação de implante de disco cervical artificial combinando eletrofiação 3D e hidrogel |
Autor: | Chaves, Artur Alexandre da Conceição |
Orientador: | Completo, António Marques, Paula |
Palavras-chave: | Artificial disc Cervical disc Annulus fibrosus Nucleus pulposus 3D electrospinning Hydrogel Degenerative disc disease |
Data de Defesa: | 5-Jul-2023 |
Resumo: | Cervical spine pain is a common ageing problem. The painful condition may
be associated to some disorders, such as intervertebral disc degeneration,
disc herniation, spinal stenosis, and facet arthritis, that limit people’s quality
of life. The most common treatment for these issues is surgical intervention,
in which cervical fusion is performed. However, cervical fusion has its limitations
and problems. Such limitations are increasing the use of artificial
discs, which can contribute to eliminating pain and restoring movement.
Despite this being a good concept, there are few artificial discs designed
for this purpose. Therefore, this project has the main objective of exploring
the possibilities of fabricating an experimental artificial disc that mimics the
native cervical disc, combining 3D electrospinning and hydrogel. A bibliographic
review was conducted in the initial phase of the project. Starting
with the anatomy, biomechanics, pathologies and repair techniques of the
cervical disc. Followed by the cervical disc implants that are in use or being
developed, and concluded with the materials and fabrication processes. In
the second phase of the project, the concept design was developed, followed
by the 3D modelling of the concept using CAD software and, finally, the
simulation of the models. In the third phase of the project, with the model
in mind, and with the understanding gained in the numerical simulation,
started an exploratory phase on the hydrogels to try to find the best one
to mimic the nucleus pulposus. The three best hydrogels were used in the
fabrication of the disc. The fabrication of the artificial annulus fibrosus was
then initiated, using the 3D electrospinning system, and the deposition of
the hydrogel in the centre of the disc. Twelve samples were fabricated with
the three different hydrogels. Lastly, the fabricated discs were mechanically
characterized, using the SEM, Micro-ct and mechanical tests at compression
until 20% deformation. The mechanical tests were made in different
states of the fabrication of the discs.
The results obtained showed that the disc manufactured using this method
is possible. However, the direct comparison with the native disc showed
that this disc concept exhibits significantly inferior mechanical properties.
There is room for improvement, and this work serves to highlight that this
concept can still be enhanced in terms of materials and geometry in order
to approach the behaviour of the native disc. A dor na coluna cervical é um problema comum no envelhecimento. Essa dor pode ser devido a distúrbios como degeneração do disco intervertebral, hérnia de disco, estenose espinhal e artrite facetária, que limitam a qualidade de vida das pessoas. O tratamento mais comum para esses problemas é a intervenção cirúrgica, na qual é realizada a fusão cervical. Essa fusão possui limitações e problemas. Devido a isso, começaram a ser utilizados discos artificiais, que além de eliminar a dor, restauram o movimento. Apesar de ser um bom conceito, existem poucos discos artificiais com esse objetivo. Por essas razões, este projeto tem como objetivo principal explorar as possibilidades de fabricar um disco artificial experimental que imite o disco cervical nativo, combinando a técnica de eletrofiação 3D e hidrogel. Na fase inicial do projeto, foi realizada uma revisão bibliográfica, abrangendo a anatomia, biomecânica, patologias e técnicas de reparação do disco cervical. Em seguida, foram estudados os implantes de disco cervical que estão em uso ou em desenvolvimento, e finalizou-se com os materiais e processos de fabricação. Na segunda fase do projeto, iniciou-se o design conceitual, seguido pela modelagem 3D do conceito utilizando software CAD e, finalmente, foram feitas simulações dos modelos. Na terceira fase do projeto, com o modelo em mente e com o entendimento adquirido na simulação numérica, iniciou-se uma fase exploratória dos hidrogéis para tentar encontrar o melhor para imitar o núcleo pulposo. Os três melhores hidrogéis foram utilizados na fabricação do disco. Em seguida, iniciou-se a fabricação do anel fibroso artificial utilizando o sistema de eletrofiação 3D e a deposição do hidrogel no centro do disco. Foram fabricadas doze amostras com os três diferentes hidrogéis. A última fase foi a caracterização mecânica dos discos fabricados, utilizando SEM, Micro-CT e testes mecânicos de compressão até 20% de deformação. Os testes mecânicos foram realizados em diferentes estados de fabricação dos discos. Os resultados obtidos, mostraram que o disco fabricado com este método é de possível execução. No entanto, a comparação direta com o disco nativo, mostrou que este conceito de disco exibe propriedades mecanicas bastante inferiores. Há espaço para melhorias, e este trabalho serve para evidenciar que este conceito pode ainda ser melhorado, em termos de materiais e geometria, por forma a aproximar-se do comportamento do disco nativo. |
URI: | http://hdl.handle.net/10773/41167 |
Aparece nas coleções: | UA - Dissertações de mestrado DEM - Dissertações de mestrado |
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