Thoracic reconstructions are essential surgical techniques used to replace severely damaged tissues and restore protection to internal organs. In recent ye

The scientific literature increasingly supports the use of computational models to predict fracture across a wide range of applications, which, when calibrated with experimental data, can yield highly consistent results. Although the extended finite element method (XFEM) is widely used in commercial packages, phase field (PF) methods have emerged as a robust alternative. In this study, a cohesive zone model (CZM) was implemented using both approaches (a PF model with an implicit damage initiation criterion and a standard commercial XFEM solver with an explicit damage initiation criterion) to analyze their robustness and computational efficiency. First, a standardized fracture test of a compact tension (CT) specimen was simulated and compared with experimental data to validate both methods, achieving accurate predictions under plane strain conditions with a dominant mode I fracture behavior. Subsequently, the application of both fracture models was extended to flexible thoracic prostheses across two distinct chest wall reconstruction scenarios: a single-rib unilateral model and a multi-rib bilateral configuration. An extreme-case compressive displacement was assessed to identify critical regions susceptible to fracture initiation and to evaluate the structural limits of the proposed designs. The results showed that the PF approach required a higher computational time, but exhibited more stable convergence. In contrast, the XFEM-based solver required careful mesh calibration to ensure convergence under complex conditions. These results highlight the potential of the PF approach as a practical tool for identifying and improving critical regions of implants, overcoming the limitations of commercial XFEM implementations.

En este estudio analizamos un novedoso diseño de implante torácico basado en una estructura que emula la geometría de un resorte, fabricado mediante fusión láser de lecho de polvo (LPBF, por sus siglas en inglés) empleando una aleación de Ti-6Al-4V ELI. Para estudiar el comportamiento biomecánico de este diseño, la primera parte del estudio se centra en obtener varios modelos aislados de costillas reseccionadas de diferentes niveles de la caja torácica, a las que se les une posteriormente el implante: concretamente en las costillas del segundo, tercer y cuarto nivel, por ser algunos de los que más esfuerzos mecánicos soportan. A estos modelos denominados como “semianillos” por su geometría semicircunferencial, se les aplican deformaciones en diferentes situaciones para realizar una evaluación inicial en cuanto a las tensiones y deformaciones obtenidas en los implantes. Este análisis de resultados permite posteriormente conducir a la propuesta de varias prótesis torácicas más complejas diseñadas para reconstruir la caja torácica en diferentes escenarios, tanto en afecciones ubicadas en estructuras ipsilaterales del tórax, como en elementos bilaterales. Para un estudio realista y detallado, los implantes propuestos son incorporados en un modelo 3D de una caja torácica generado a partir de las imágenes TAC de un paciente adulto sano; a este modelo reconstruido se le reseccionan diferentes estructuras del tórax y se les incorpora en cada caso el implante torácico diseñado con el objetivo de simular la reconstrucción de la pared torácica en distintos escenarios; finalmente, estos modelos son sometidos a diferentes situaciones exigentes de esfuerzos mecánicos para estudiar la respuesta biomecánica de las prótesis en cada caso. Con este nuevo diseño se prevé que los implantes puedan mostrar una flexibilidad compatible con los movimientos y deformaciones naturales del tórax humano, así como una adecuada ligereza, biocompatibilidad y resistencia mecánica.