Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Umsetzung von Methoden und Werkzeugen zur Bereitstellung von Modellen und Randbedingungen für die Konstruktion individueller Langzeit-Knochenimplantate (Konstruktionsvorbereitung). Grundlage dabei ist, dass die Planung aus medizinischer Sicht z.B. durch einen Chirurgen und die Konstruktion unter technischen Aspekten z.B. durch einen Konstrukteur getrennt erfolgt. Hierfür wird ein erarbeitetes Planungskonzept vorgestellt, welches sowohl die geplanten geometrischen Merkmale, als auch weiterführende Metadaten beinhaltet (Randbedingungen). Die Übergabe dieser Planungsdaten an die Konstruktion erfolgt über eine dafür entworfene Formatbeschreibung im Kontext der Schnittstelle zwischen Mediziner und Ingenieur. Weiterführend wird die Notwendigkeit von speziellen Funktionen für die Konstruktion von individuellen Implantaten in der Arbeitsumgebung des Konstrukteurs (z.B. Modelliersystem – CAD) am Beispiel der konturlinienbasierten Modellrekonstruktion erörtert. Die gesamtheitliche Basis bildet eine durchgängig digitale Prozesskette zur Datenaufbereitung, Konstruktion und Fertigung. Die Anwendbarkeit der Methoden und zweier umgesetzter Demonstratoren wurde innerhalb eines interdisziplinär angelegten Projektes am realen Patientenfall bestätigt.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation d’un matériau composite polyacide lactique-bioverre pour application comme dispositif de réparation osseuse. Le bioverre étant trop fragile pour être utilisé seul comme dispositif de réparation osseuse, celui-ci est associé à une matrice polymère résorbable permettant d’apporter le caractère bioactif à des matériaux pouvant être mis en forme par des procédés de plasturgie. Le matériau composite polyacide lactique-bioverre est ainsi mis en forme par injection à partir de granules élaborés par voie solvant. La caractérisation des propriétés de ce matériau composite a révélé une augmentation du module élastique avec l’ajout de charges, mais une diminution des contraintes maximales admissibles et de la déformation à la rupture. Les modifications des propriétés mécaniques ont été associées à une modification des propriétés de la matrice et notamment de sa masse moléculaire. Un autre mode d’élaboration par pressage à chaud a permis de limiter la dégradation du polymère. Une meilleure maitrise de la masse moléculaire du composite serait ainsi un moyen de contrôler sa cinétique de dégradation in vivo et ainsi d’adapter ses propriétés en fonction du cahier des charges des applications visées. Dans une seconde partie, l’effet du taux de bioverre sur le caractère bioactif du composite a été évalué par immersion dans un fluide biologique de composites chargés à 20, 30 et 50% (en masse de bioverre). Un scénario de cristallisation à la surface des différents composites a ainsi été proposé. Tous les composites se sont révélés bioactifs et d’autant plus que le taux de bioverre est élevé. Le composite chargé à 50% apparait ainsi comme le matériau le plus bioactif, mais sa vitesse de dégradation est très rapide. Ce matériau étant destiné à être implanté, une étude de biocompatibilité in vitro a été menée par culture de cellules ostéoblastiques à la surface des matériaux. Enfin la biocompatibilité du composite in vivo, son caractère biorésorbable et ostéoconducteur ont été évalués par implantation du matériau composite dans les tissus musculaires et osseux de lapins. Le caractère biocompatible, bioactif et ostéoconducteur du composite chargé à 30% en masse de bioverre en fait un candidat de choix pour les applications proposées. / The aim of this work was to evaluate polylactic acid- Bioglass® composites for bone repair applications. Bioglass being too brittle to be used alone for load bearing applications, our strategy was to incorporate bioactive Bioglass® particles into a bioresorbable polymer matrix processed by conventional manufacturing techniques. The composite were processed by injection moulding from granules prepared by a solvent route. The composites exhibit higher Young modulus but lower strength and strain to failure than polymer alone. This is attributed to a decrease of molecular weight of the polymer matrix during the different steps of the process. Another processing method (hot pressing) was used to limit the drop in molecular weight of the polymer matrix: it leads to higher mechanical properties. Therefore, a careful control of the Polymer degradation may insure better mechanical properties and a better control of the degradation rate in vivo. The bioactivity of composites with 20, 30, 50 Wt. % of Bioglass® was a assessed by immersion in simulated body fluid. All the composites are bioactive, and all the more since the Bioglass® content is large. On the other side, the degradation of composites with a Bioglass® content of 50 wt. % is very rapid. Biological evaluation was conducted in vitro and in vivo. Osteoblast cell cultures and in vivo evaluation in rabbits demonstrate that polylactic acid - Bioglass® composites are biocompatible and osteoconductive. Such composites may therefore be a good option for bone repair applications in the future.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Umsetzung von Methoden und Werkzeugen zur Bereitstellung von Modellen und Randbedingungen für die Konstruktion individueller Langzeit-Knochenimplantate (Konstruktionsvorbereitung). Grundlage dabei ist, dass die Planung aus medizinischer Sicht z.B. durch einen Chirurgen und die Konstruktion unter technischen Aspekten z.B. durch einen Konstrukteur getrennt erfolgt. Hierfür wird ein erarbeitetes Planungskonzept vorgestellt, welches sowohl die geplanten geometrischen Merkmale, als auch weiterführende Metadaten beinhaltet (Randbedingungen). Die Übergabe dieser Planungsdaten an die Konstruktion erfolgt über eine dafür entworfene Formatbeschreibung im Kontext der Schnittstelle zwischen Mediziner und Ingenieur. Weiterführend wird die Notwendigkeit von speziellen Funktionen für die Konstruktion von individuellen Implantaten in der Arbeitsumgebung des Konstrukteurs (z.B. Modelliersystem – CAD) am Beispiel der konturlinienbasierten Modellrekonstruktion erörtert. Die gesamtheitliche Basis bildet eine durchgängig digitale Prozesskette zur Datenaufbereitung, Konstruktion und Fertigung. Die Anwendbarkeit der Methoden und zweier umgesetzter Demonstratoren wurde innerhalb eines interdisziplinär angelegten Projektes am realen Patientenfall bestätigt.

O grande desafio da Implantodontia é alcançar resultados a longo prazo com maior preservação dos tecidos ósseos, resposta adequada dos tecidos conjuntivos e manutenção da estabilidade secundária adequada para a retenção de próteses. Estes fatores evitam a perda indesejável tanto do tratamento reabilitador quanto dos tecidos ósseos de suporte. A região extraoral apresenta menores espessuras ósseas em comparação às regiões de maxila e mandíbula, especialmente no osso temporal. Portanto, os seguintes aspectos foram investigados: (i) Análise pelo Método dos Elementos Finitos (FEA) de 16 modelos virtuais, com aplicação de forças estáticas de tensão e compressão nos pontos médios entre os implantes. Três implantes maxilofaciais extraorais foram posicionados no osso temporal, onde um deles foi posicionado sobre o processo mastóide. Este estudo foi totalmente realizado em ambiente computacional. Foram empregados dois tipos de conexões protéticas e intermediários retos de conicidades 20º e 45º, posicionados virtualmente no modelo de osso temporal, com paralelismo entre eles. Foi desenhada uma barra virtual para retenção protética do tipo barra-clipe da prótese auricular. Foram consideradas as melhores configurações aquelas apresentando distribuição uniforme e branda das tensões de von Mises sobre o tecido ósseo adjacente aos implantes. (ii) Confecção de corpos de prova com graus variáveis de pigmentação para (a) melhorar a reprodutibilidade da coloração (b) entender e reduzir o processo de descoloração para melhorar a longevidade das próteses. Um elastômero maxilofacial tipo A foi pigmentado intrinsecamente de acordo com os seis tons da Escala de Fitzpatrick. Uma técnica de pigmentação foi desenvolvida a partir dos resultados obtidos a partir de uma Escala de Fitzpatrick impressa em papel e dos pigmentos intrínsecos de cores primárias. Este dimetil-metilvinil-siloxano reforçado por platina A 223-30 (Factor II, Inc., Lakeside, AZ, USA) apresenta dureza \"Shore-A\" 30. As amostras foram expostas a fotoenvelhecimento acelerado, e sua degradação mapeada com Espectroscopia UV/Vis/NIR. Concluiu-se que: (i) Os implantes com conexão cone Morse plataforma 3.7 tem melhor comportamento biomecânico com intermediários de 45o e altura de 2mm. Sugere-se planejamento cirúrgico visando a instalação a 3 horas para o temporal esquerdo e 9 horas para o temporal direito, mais 6 horas (mastóide). Implantes com conexão cone Morse plataforma 4.0 apresentaram comportamento biomecânico desejável com intermediários de 20o e alturas de 2mm or 4mm. Para implantes com conexão cone Morse plataforma 4.0, sugere-se a instalação a 6-9-12 horas para o temporal direito, e 12-6-3 para o esquerdo, visando comportamento biomecânico adequado. Sugere-se que os implantes extraorais Brånemark hexágono externo com plataforma 4.1 regular ou expandida sejam preferencialmente empregados com intermediários de 20o. (ii) O SiO2 5% pode ser adicionado à preparação do silicone para retardar o desbotamento da prótese maxilofacial. O TiO2 traz mudanças visuais significativas e pode ser considerado como opacificador. / Major challenges in Implantology include: achieving longevity of implants, bone tissue preservation, connective tissue suitable answer and maintenance of secondary stability in order to retain prosthesis. These factors avoid the undesirable loss of both rehabilitation treatment and supporting bone tissues. The extraoral region has less bone depth compared to the maxilla and mandible regions, especially for the temporal bone. Therefore, the following aspects were investigated: (i) Finite Elements Analysis (FEA) of 16 virtual models, with static application of tension and compression forces in medium points between implants. Three extraoral maxillofacial implants were placed on the temporal bone, which one of them was placed on the mastoid process. This study was made entirely in a computational environment. Two prosthetic connection types and straight Intermediários were employed, with conicities of 20º and 45º, placed virtually on the temporal bone model, mutually parallel. A virtual bar for bar-clip prosthetic retention of auricular prosthesis was designed. The best configurations were considered to be the ones presenting uniform and mild von Mises tension distribution over the bone tissue around the implants. (ii) Generation of samples with varying degree of pigmentation to (a) improve the reproducibility of the colouration (b) understand and minimise the discolouration process to improve prosthetics longevity. A maxillofacial elastomer type A was intrinsically pigmented according to the six tones of the Fitzpatrick Scale. A pigmentation technique was developed from spectroscopy outcomes of paper printed Fitzpatrick Scale and the primary colors pigments. This platinum reinforced dimethyl methylvinyl siloxane A 223-30 (Factor II, Inc., Lakeside, AZ, USA) presents \"Shore-A\" hardness 30. The samples were exposed to accelerated photo aging, and their degradation mapped with UV/Vis/NIR Spectroscopy. The effects of exclusion of oxygen and inclusion of nanoparticle fillers during prosthetic formulation were investigated. It was concluded that: (i) Morse taper prosthetic connection 3.7 platform implants, should be employed with 45o abutments with 2mm height. The surgical planning shall be for placement 3 hours for the left temporal bone and 9 hours for the right, and in 6 hours (mastoid). Morse taper prosthetic connection 4.0 platform implants behaved biomechanically desirably with 20o abutments in 2mm or 4mm heights. For the Morse taper connection 4.0 platform implants, their placement shall be in 6-9-12 hours, for the right temporal, and 12-3-6, for the left temporal, in order to achieve proper biomechanical behaviour. The Brånemark extraoral external hexagon implant, with 4.1 platform (normal or expanded) should preferrably be used with 20o abutments. (ii) The SiO2 5% may be added to the silicone preparation in order to slow maxillofacial prosthesis colour fading. The TiO2 brings visually significant changes and may be considered as an opacifier.

O grande desafio da Implantodontia é alcançar resultados a longo prazo com maior preservação dos tecidos ósseos, resposta adequada dos tecidos conjuntivos e manutenção da estabilidade secundária adequada para a retenção de próteses. Estes fatores evitam a perda indesejável tanto do tratamento reabilitador quanto dos tecidos ósseos de suporte. A região extraoral apresenta menores espessuras ósseas em comparação às regiões de maxila e mandíbula, especialmente no osso temporal. Portanto, os seguintes aspectos foram investigados: (i) Análise pelo Método dos Elementos Finitos (FEA) de 16 modelos virtuais, com aplicação de forças estáticas de tensão e compressão nos pontos médios entre os implantes. Três implantes maxilofaciais extraorais foram posicionados no osso temporal, onde um deles foi posicionado sobre o processo mastóide. Este estudo foi totalmente realizado em ambiente computacional. Foram empregados dois tipos de conexões protéticas e intermediários retos de conicidades 20º e 45º, posicionados virtualmente no modelo de osso temporal, com paralelismo entre eles. Foi desenhada uma barra virtual para retenção protética do tipo barra-clipe da prótese auricular. Foram consideradas as melhores configurações aquelas apresentando distribuição uniforme e branda das tensões de von Mises sobre o tecido ósseo adjacente aos implantes. (ii) Confecção de corpos de prova com graus variáveis de pigmentação para (a) melhorar a reprodutibilidade da coloração (b) entender e reduzir o processo de descoloração para melhorar a longevidade das próteses. Um elastômero maxilofacial tipo A foi pigmentado intrinsecamente de acordo com os seis tons da Escala de Fitzpatrick. Uma técnica de pigmentação foi desenvolvida a partir dos resultados obtidos a partir de uma Escala de Fitzpatrick impressa em papel e dos pigmentos intrínsecos de cores primárias. Este dimetil-metilvinil-siloxano reforçado por platina A 223-30 (Factor II, Inc., Lakeside, AZ, USA) apresenta dureza \"Shore-A\" 30. As amostras foram expostas a fotoenvelhecimento acelerado, e sua degradação mapeada com Espectroscopia UV/Vis/NIR. Concluiu-se que: (i) Os implantes com conexão cone Morse plataforma 3.7 tem melhor comportamento biomecânico com intermediários de 45o e altura de 2mm. Sugere-se planejamento cirúrgico visando a instalação a 3 horas para o temporal esquerdo e 9 horas para o temporal direito, mais 6 horas (mastóide). Implantes com conexão cone Morse plataforma 4.0 apresentaram comportamento biomecânico desejável com intermediários de 20o e alturas de 2mm or 4mm. Para implantes com conexão cone Morse plataforma 4.0, sugere-se a instalação a 6-9-12 horas para o temporal direito, e 12-6-3 para o esquerdo, visando comportamento biomecânico adequado. Sugere-se que os implantes extraorais Brånemark hexágono externo com plataforma 4.1 regular ou expandida sejam preferencialmente empregados com intermediários de 20o. (ii) O SiO2 5% pode ser adicionado à preparação do silicone para retardar o desbotamento da prótese maxilofacial. O TiO2 traz mudanças visuais significativas e pode ser considerado como opacificador. / Major challenges in Implantology include: achieving longevity of implants, bone tissue preservation, connective tissue suitable answer and maintenance of secondary stability in order to retain prosthesis. These factors avoid the undesirable loss of both rehabilitation treatment and supporting bone tissues. The extraoral region has less bone depth compared to the maxilla and mandible regions, especially for the temporal bone. Therefore, the following aspects were investigated: (i) Finite Elements Analysis (FEA) of 16 virtual models, with static application of tension and compression forces in medium points between implants. Three extraoral maxillofacial implants were placed on the temporal bone, which one of them was placed on the mastoid process. This study was made entirely in a computational environment. Two prosthetic connection types and straight Intermediários were employed, with conicities of 20º and 45º, placed virtually on the temporal bone model, mutually parallel. A virtual bar for bar-clip prosthetic retention of auricular prosthesis was designed. The best configurations were considered to be the ones presenting uniform and mild von Mises tension distribution over the bone tissue around the implants. (ii) Generation of samples with varying degree of pigmentation to (a) improve the reproducibility of the colouration (b) understand and minimise the discolouration process to improve prosthetics longevity. A maxillofacial elastomer type A was intrinsically pigmented according to the six tones of the Fitzpatrick Scale. A pigmentation technique was developed from spectroscopy outcomes of paper printed Fitzpatrick Scale and the primary colors pigments. This platinum reinforced dimethyl methylvinyl siloxane A 223-30 (Factor II, Inc., Lakeside, AZ, USA) presents \"Shore-A\" hardness 30. The samples were exposed to accelerated photo aging, and their degradation mapped with UV/Vis/NIR Spectroscopy. The effects of exclusion of oxygen and inclusion of nanoparticle fillers during prosthetic formulation were investigated. It was concluded that: (i) Morse taper prosthetic connection 3.7 platform implants, should be employed with 45o abutments with 2mm height. The surgical planning shall be for placement 3 hours for the left temporal bone and 9 hours for the right, and in 6 hours (mastoid). Morse taper prosthetic connection 4.0 platform implants behaved biomechanically desirably with 20o abutments in 2mm or 4mm heights. For the Morse taper connection 4.0 platform implants, their placement shall be in 6-9-12 hours, for the right temporal, and 12-3-6, for the left temporal, in order to achieve proper biomechanical behaviour. The Brånemark extraoral external hexagon implant, with 4.1 platform (normal or expanded) should preferrably be used with 20o abutments. (ii) The SiO2 5% may be added to the silicone preparation in order to slow maxillofacial prosthesis colour fading. The TiO2 brings visually significant changes and may be considered as an opacifier.

Le travail présenté porte sur la rhéologie, la mise en forme et la caractérisation de matériaux biocomposites de nouvelles générations pour des applications orthopédiques. Dans le cadre de cette étude, des biocomposites poly (D,L-lactide) (PDLLA)/bioverres ont été élaborés par extrusion bivis sous atmosphère inerte. Les bioverres différent par la nature de leur traitement thermique et leur morphologie. La première partie a été consacrée à l’étude de l’état de la dispersion des bioverres dans la matrice polymère. Nous avons montré que l’homogénéité de cette dispersion dépend, d’une part de la structure, de la morphologie, du taux volumique des charges et d’autre part des paramètres du procédé (cisaillement, température,…). Le comportement rhéologique des suspensions a été étudié à l’état fondu ainsi qu’à l’état solide. Un accent particulier a été porté sur l’étude de l’influence du taux des bioverres, de leur taille moyenne et plus particulièrement de leur traitement thermique. Les masses molaires de PDLLA extrait des composites élaborés ont été évaluées par chromatographie d’exclusion stérique (CES). Enfin, la qualité de la dispersion des charges, en termes de distance inter-particulaire et taille moyenne, a été étudiée par microscopie électronique à balayage (MEB) et analyses d’image. Il a été montré que l’utilisation de bioverres non traités thermiquement lors de la mise en forme de composites à haute température provoque la dégradation de la matrice. Aussi, on assiste à une réduction des masses molaires. Les propriétés viscoélastiques et les propriétés mécaniques sont altérées à leur tour. Cette dégradation a été étudiée par spectroscopie infrarouge (IRTF) et par analyse thermogravimétrique (ATG). Les origines et mécanismes sous-jacents de cette dégradation ont été proposés. Il est démontré pour la première fois que la présente dégradation du PDLLA peut être atténuée par l’emploi de différentes charges céramiques à propriétés spécifiques. En outre, l’utilisation de ces bioverres a permis l’obtention d’une dispersion homogène au sein de la matrice. L’analyse des propriétés rhéologiques de tels matériaux et leur modélisation a permis de mettre en évidence les interactions matrice-charges. La deuxième partie de l’étude a porté sur l’élaboration des biocomposites multicouches à gradient de propriétés par coextrusion. Ces multicouches présentent, d’une part, des propriétés variables selon le type de traitement et de composition du bioverre actif. D’autre part, le gradient de propriété a été également réalisé en faisant varier les paramètres expérimentaux relatifs au procédé de coextrusion. Les matériaux finaux, ainsi obtenus, présentent de très bonnes propriétés cohésives avec une bioactivité maîtrisée et contrôlée. / Bioactive and biodegradable composites have gained increasing importance in the orthopedic field as bone replacement materials and as scaffolds for tissue engineering. In this study, biocomposites based on poly(D,L-lactide) (PDLLA) and bioactive glass fillers were prepared by a twin screw extrusion under Argon inert gas with various filler contents, thermal treatments and particle sizes. The processing conditions were monitored to produce composites with well controlled physico-chemical, mechanical and dispersive properties. The aim of the present work is to gain a fundamental understanding of the relationships between structure, processing conditions and final properties of these biocomposites. The dispersion state of fillers was characterized by SEM. It was highlighted that the inclusion of non treated bioglass in PDLLA under elevated temperatures resulted in a decrease of molar mass. This degradation of the matrix leads to a reduction of the viscoelastic and mechanical properties of the composites. The origin and mechanisms of this degradation were probed using a Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. The optimization of their processing allows a better control of this drastic loss of properties. Furthermore, the demonstration had been done that the present degradation of PDLLA matrix can be attenuated using a different glass ceramics with a special size and thermally treated. The rheological behaviour in linear and non linear viscoelasticity of the controlled PDLLA/BG suspensions has been assessed in both solid and molten state. Hence, their experimental rheological behaviour was compared to the theoretical suspension models. Finally, the effects of volume fraction, particle size and thermal treatment on the mechanical properties have been also investigated and discussed. The obtained results corroborate the rheological and physic-chemical ones. Finally, the multilayer structures with various amounts and treatments of BG fillers were obtained by a designed scale lab coextrusion machines. The gradient of properties has been obtained and improved cohesion properties between the neighboring were highlighted. Their bioactivity was finally demonstrated. At last, no residual stress inside the multilayers can be observed. This observation explains the conservation of the initial shape of those implants, without nor deformation neither relaxation, during the simulation of the chirurgical implantation in SBF.

Knorpeldefekte des Kniegelenks zeichnen sich durch eine sehr begrenzte spontane Heilungstendenz aus und führen im Verlauf häufig zur Arthrose. Trotz intensiver Forschungsbemühungen konnte bisher keine neue Therapieoption eine zufrieden-stellende Alternative zu den bisherigen Therapien hervorbringen. Eine ACI in Kombination mit einem künstlich hergestellten Knorpel-Knochen-Ersatzmaterial scheint jedoch großes Potential für die Therapie von Knorpel-Knochen-Schäden zu besitzen. Im vorliegenden Langzeittierversuch mit Kaninchen wurde eine einzeitige ACI mit einem biphasischen Ersatzmaterial (TruFit®) und platelet-rich-plasma (PRP) kombiniert. Zu diesem Zweck wurde in der medialen Femurkondyle ein critical-size-Defekt mit einem Durchmesser von 4,5 mm gesetzt. In der ersten Versuchsgruppe blieb der Defekt unbehandelt (Leer). Bei der zweiten Gruppe wurde die Defekthöhle mit einem TruFit®-Zylinder aufgefüllt (TFP). Gruppe drei erhielt zusätzlich PRP (TFP+PRP) und Gruppe vier wurde darüber hinaus mit einer einzeitigen ACI kombiniert (TFP+PRP+C), bei der Chondrozyten mit Hilfe eines speziellen Kollagenase-Schnellverdaus isoliert werden konnten. Die Auswertung der Knorpel-Knochen-Regeneration erfolgte nach 12 Monaten durch eine Mikroradiographie, eine intravitale Fluoreszenzmarkierung des Knochens und durch Toluidinblau-O- und Safranin-O-Färbungen. Verwendet wurden die Scores nach Wakitani und O’Driscoll. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine TruFit®-Therapie die Knochenregeneration positiv beeinflussen kann. Die Zugabe von PRP bewirkte die Bildung von zahlreichen dünnen Trabekeln mit einer erhöhten Anzahl trabekulärer Verbindungen, allerdings auch eine schlechtere Rekonvaleszenz der subchondralen Knochenschicht. Bezüglich der Knorpelheilung schnitt die Gruppe TFP+PRP+C am besten ab, wobei die Unterschiede nicht signifikant waren. Insgesamt zeigten alle Versuchsgruppen eine unzureichende osteochondrale Regeneration, so dass für die Therapie am Menschen zunächst weitere Studien nötig sind, die sowohl ossär als auch chondral eine verbesserte Heilungspotenz demonstrieren können. Bisher fehlen groß angelegte Studien um Therapieempfehlungen bezüglich des Ersatzmaterials, der genauen Durchführung der einzeitigen ACI und Zusätzen wie Wachstumsfaktoren zu machen.