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Novel bio-inspired structures to mechanically mimic human intervertebral disc: A numerical study

Master thesis

Axe :: Structures et matériaux innovants

Site :: Lille

Nature :: Master thesis

Personne(s) encadrante(s) :: Karim KANDIL

Context
Intervertebral disc hernia and dysfunctions are the most common health problems that affect humans. The damaged disc should often be replaced by an artificial prosthesis. For this
reason, the need of novel bio-inspired replacement systems with rational mechanically mimetic designs of the intervertebral disc is becoming increasingly mandatory and urgent.

Project description
The objective of this MSR is to design new polymer-based prostheses that can mimic the real intervertebral disc mechanical response. The mechanics of the new designs should be
controlled by tailoring the mesostructure (shape and thickness), and the material microstructure. The biomimetic capabilities of the proposed structures will be tested via numerical simulations then compared to the natural intervertebral disc conduct in terms of nonlinear stiffness and transversal behavior while considering regional dependency. Once validated in silico, the new designs could be printed using advanced 3D printing technologies and tested experimentally.

Contexte
La hernie discale et les dysfonctionnements des disques intervertébraux sont actuellement les problèmes de santé les plus courants chez les humains. Le disque endommagé doit
souvent être traité ou remplacé par une prothèse artificielle. Pour cette raison, la nécessité de concevoir des prothèses bio-inspirés capables de mimer et de reproduire le comportement
mécanique des disques intervertébraux devient de plus en plus impérative et urgente.

Descriptif du projet
L’objectif de cette MSR est de concevoir des prothèses à base de polymères qui peuvent mimer la réponse mécanique réelle des tissus du disque intervertébral humain. Le comportement mécanique des nouvelles conceptions sera contrôlé de manière rationnelle en adaptant la mésostructure (forme et épaisseur) et la microstructure du matériau utilisé.

Les capacités biomimétiques des structures proposées seront testées via des simulations numériques puis comparées avec la réponse mécanique naturelle du disque intervertébral
en termes de rigidité non linéaire et de comportement transversal, tout en considérant la dépendance régionale des tissus du disque. Une fois validés numériquement, les nouveaux designs pourraient être imprimés en 3D et testés expérimentalement.

Compétences requises :: De bonnes connaissances en résistance des matériaux et en conception mécanique sont requises. Des connaissances de base en simulation numérique et en mécanique des polymères seraient un plus. Un sens de l’organisation et de gestion des données scientifiques est essentiel.

Biomécanique ; Tissues mous ; Calcul par éléments finis ; Prothèse bio-inspirée

Je candidate

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