Design and fabrication of an artificial cervical disc implant combining 3D electrospinning and hydrogel

Abstract

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.